DE10392854B4 - Method, system and calibration wafer for calibrating temperature measuring devices in heat treatment chambers - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Kalibrieren einer Temperaturmeßvorrichtung (27), umfassend: Abstrahlen von Lichtenergie von einer Kalibrierungslichtquelle (23) auf einen Wafer (14), welcher aus einem Halbleitermaterial hergestellt ist, während der Wafer (14) erwärmt wird; Erfassen der abgestrahlten Menge der Lichtenergie, welche durch den Wafer (14) durchgelassen wird; Bestimmen der Temperatur des Wafers (14) auf Basis der Menge der durchgelassenen Lichtenergie, welche erfaßt wird; und Kalibrieren der Temperaturmeßvorrichtung (27), welche die Temperatur des Wafers (14) auf Basis der Temperatur misst, welche anhand der Menge der Lichtenergie, welche durch den Wafer (14) durchgelassen wird, bestimmt wird.A method of calibrating a temperature measuring device (27), comprising: radiating light energy from a calibration light source (23) onto a wafer (14) made of a semiconductor material while heating the wafer (14); Detecting the radiated amount of the light energy transmitted through the wafer (14); Determining the temperature of the wafer (14) based on the amount of transmitted light energy being detected; and calibrating the temperature measuring device (27) which measures the temperature of the wafer (14) based on the temperature determined from the amount of light energy transmitted through the wafer (14).
Description
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
Eine Wärmebehandlungskammer bezeichnet gemäß Verwendung in der vorliegenden Schrift eine Vorrichtung, welche Gegenstände, wie etwa Halbleiterwafer, rasch erwärmt. Derartige Vorrichtungen umfassen typischerweise eine Substrathalterung zum Halten eines oder mehrerer Halbleiterwafer und eine Energiequelle zum Erwärmen der Wafer, wie etwa Heizlampen und/oder eine elektrische Widerstandsheizung. Während einer Wärmebehandlung werden die Halbleiterwafer unter kontrollierten Bedingungen gemäß einer vorbestimmten Temperaturvorschrift erwärmt.A heat treatment chamber, as used herein, refers to a device that rapidly heats objects, such as semiconductor wafers. Such devices typically include a substrate holder for holding one or more semiconductor wafers and an energy source for heating the wafers, such as heat lamps and / or electrical resistance heating. During a heat treatment, the semiconductor wafers are heated under controlled conditions according to a predetermined temperature specification.
Viele Halbleitererwärmungsverfahren erfordern, daß ein Wafer auf hohe Temperaturen erwärmt wird, so daß verschiedene chemische und physikalische Umwandlungen erfolgen können, wenn aus dem Wafer eine Vorrichtung hergestellt wird. Beispielsweise werden bei einer raschen Wärmebehandlung Halbleiterwafer typischerweise durch eine Anordnung von Lampen für Zeitspannen, welche typischerweise weniger als einige Minuten betragen, auf Temperaturen von etwa 300°C bis etwa 1200°C erwärmt. Bei diesen Verfahren ist es ein Hauptziel, die Wafer möglichst gleichmäßig zu erwärmen.Many semiconductor heating techniques require that a wafer be heated to high temperatures so that various chemical and physical transformations can occur when fabricating a device from the wafer. For example, in a rapid heat treatment, semiconductor wafers are typically heated to temperatures of about 300 ° C to about 1200 ° C by an array of lamps for periods of time, which are typically less than a few minutes. In these methods, a major goal is to heat the wafers as evenly as possible.
Bei der raschen Wärmebehandlung eines Halbleiterwafers ist es wünschenswert, die Wafertemperatur zu überwachen und zu regeln. Insbesondere ist es für sämtliche der Hochtemperatur-Waferverfahren von gegenwärtigem und vorhersehbarem Interesse wichtig, daß die wahre Temperatur des Wafers mit hoher Genauigkeit, Wiederholbarkeit und Geschwindigkeit bestimmt wird. Die Fähigkeit, die Temperatur eines Wafers genau zu messen, ist mit einem direkten Gewinn hinsichtlich der Güte und Größe der hergestellten integrierten Schaltung verbunden.In the rapid heat treatment of a semiconductor wafer, it is desirable to monitor and control the wafer temperature. In particular, it is important for all of the high temperature wafer processes of present and foreseeable interest that the true temperature of the wafer be determined with high accuracy, repeatability and speed. The ability to accurately measure the temperature of a wafer is associated with a direct gain in the quality and size of the integrated circuit produced.
Eine der bedeutendsten Herausforderungen bei Wafererwärmungssystemen ist die Fähigkeit, die Temperatur von Substraten während des Erwärmungsvorgangs genau zu messen. In der Vergangenheit wurden verschiedene Hilfsmittel und Vorrichtungen zum Messen der Temperatur von Substraten in Wärmebehandlungskammern entwickelt. Derartige Vorrichtungen umfassen beispielsweise Pyrometer, Thermoelemente, welche das Substrat direkt berühren oder welche neben dem Substrat angeordnet sind, und die Verwendung von Laserinterferenz.One of the most significant challenges in wafer heating systems is the ability to accurately measure the temperature of substrates during the heating process. Various tools and devices for measuring the temperature of substrates in heat treatment chambers have been developed in the past. Such devices include, for example, pyrometers, thermocouples which directly contact the substrate or which are located adjacent the substrate, and the use of laser interference.
Um Pyrometer in einer Wärmebehandlungskammer zu verwenden, müssen die Pyrometer generell kalibriert werden. Infolgedessen gibt es gegenwärtig verschiedene Kalibrationsverfahren, um die Temperaturmeßwerte der Pyrometer mit einem absoluten und genauen Temperaturvergleichswert abzugleichen. Der gegenwärtige Stand der Technik und das am meisten verwendete Verfahren zum Kalibrieren von Pyrometern in Wärmebehandlungskammern ist es, in den Kammern einen Halbleiterwafer anzuordnen, welcher ein in den Wafer eingebettetes Thermoelement aufweist. Die Temperaturmessungen von dem Thermoelement werden mit den Temperaturmeßwerten verglichen, welche von den Temperaturmeßvorrichtungen erhalten werden, und jede Abweichung wird durch Kalibrieren ausgeglichen.To use pyrometers in a heat treatment chamber, the pyrometers must generally be calibrated. As a result, there are currently various calibration methods to compare the temperature readings of the pyrometers with an absolute and accurate temperature comparison value. The current state of the art and the most commonly used method for calibrating pyrometers in heat treatment chambers is to place in the chambers a semiconductor wafer having a thermocouple embedded in the wafer. The temperature measurements from the thermocouple are compared with the temperature readings obtained from the temperature measuring devices, and any deviation is compensated by calibration.
Obgleich dieses Verfahren gut zum Kalibrieren von Temperaturmeßvorrichtungen, wie etwa Pyrometern, geeignet ist, erfordert dieses eine erhebliche Zeitspanne, um die Instrumente zu kalibrieren. Daher besteht gegenwärtig ein Bedarf im Hinblick auf ein Verfahren zum sehr raschen Kalibrieren von Pyrometern in Wärmebehandlungskammern, ohne eine erhebliche Leerzeitspanne zu verursachen. Insbesondere besteht ein Bedarf im Hinblick auf ein Verfahren zum Kalibrieren von Pyrometern in Wärmebehandlungskammern, ohne die Kammer öffnen zu müssen, um die Unversehrtheit und Reinheit der Kammer aufrechtzuerhalten. Ferner besteht ein Bedarf im Hinblick auf ein einfaches Verfahren zum Kalibrieren von Pyrometern in Wärmebehandlungskammern, welches routinemäßig als reguläre Prüfung verwendet werden kann, um nachzuweisen, daß das optische Pyrometriesystem einwandfrei funktioniert.Although this method is well suited for calibrating temperature measuring devices, such as pyrometers, it requires a considerable amount of time to calibrate the instruments. Therefore, there is currently a need for a method of very rapidly calibrating pyrometers in heat treatment chambers without causing a significant idle time margin. In particular, there is a need for a method of calibrating pyrometers in heat treatment chambers without having to open the chamber in order to maintain the integrity and cleanliness of the chamber. Further, there is a need for a simple method of calibrating pyrometers in heat treatment chambers, which can be routinely used as a regular test to prove that the optical pyrometry system is functioning properly.
Aus der Druckschrift
Aus der Druckschrift
Aus der Druckschrift
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren einer Temperaturmeßvorrichtung in einer Wärmebehandlungskammer. Das Verfahren umfaßt die Schritte des Anordnens eines Kalibrationswafers in der Wärmebehandlungskammer. Lichtenergie wird von einer Kalibrierungslichtquelle auf den Kalibrationswafer abgestrahlt, während der Kalibrationswafer in der Wärmebehandlungskammer erwärmt wird. Beispielsweise kann der Wafer unter Verwendung von Lichtenergie und/oder durch Verwenden einer elektrischen Widerstandsheizung erwärmt werden. Die Menge der von der Kalibrierungslichtquelle abgestrahlten Lichtenergie, welche durch den Kalibrationswafer durchgelassen wird, wird erfaßt. Die Temperatur des Kalibrationswafers wird sodann auf Basis der Menge des durchgelassenen Lichts, welche erfaßt wird, bestimmt.The present invention relates to a method of calibrating a temperature measuring device in a heat treatment chamber. The method includes the steps of placing a calibration wafer in the heat treatment chamber. Light energy is radiated from a calibration light source onto the calibration wafer while the calibration wafer is heated in the heat treatment chamber. For example, the wafer may be heated using light energy and / or by using electrical resistance heating. The amount of the light energy radiated from the calibration light source, which is transmitted through the calibration wafer, is detected. The temperature of the calibration wafer is then determined based on the amount of transmitted light that is detected.
Anhand dieser Information kann die Temperaturmeßvorrichtung, welche in der Wärmebehandlungskammer enthalten ist, kalibriert werden. Die Temperaturmeßvorrichtung kann beispielsweise aus einem oder mehreren Pyrometern, einem oder mehreren Thermoelementen oder einer beliebigen anderen geeigneten Temperaturmeßvorrichtung bestehen.Based on this information, the temperature measuring device contained in the heat treatment chamber can be calibrated. The temperature measuring device may for example consist of one or more pyrometers, one or more thermocouples or any other suitable temperature measuring device.
Während des Ablaufs wird die Lichtenergie, welche durch den Kalibrationswafer durchgelassen wird, bei einer oder mehreren speziellen Wellenlängen erfaßt. Im allgemeinen kann sich die Wellenlänge im Infrarotbereich befinden. Beispielsweise kann die Wellenlänge von etwa 1 Mikrometer bis etwa 2 Mikrometer betragen. Bei einem Ausführungsbeispiel wird durchgelassenes Licht gleichzeitig bei verschiedenen Wellenlängen erfaßt. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel wird jedoch eine erste Wellenlänge verwendet, um die Lichtmenge, welche bei niedrigeren Temperaturen durch den Wafer durchgelassen wird, zu erfassen, während eine zweite Wellenlänge verwendet wird, um die Lichtmenge zu bestimmen, welche bei höheren Temperaturen durch den Wafer durchgelassen wird. Beispielsweise kann die erste Wellenlänge kleiner als die zweite Wellenlänge sein. Die zweite Wellenlänge kann verwendet werden, um die Temperatur des Wafers bei Temperaturen, welche höher als etwa 700°C sind, zu bestimmen.During the process, the light energy transmitted through the calibration wafer is detected at one or more particular wavelengths. In general, the wavelength can be in the infrared range. For example, the wavelength may be from about 1 micron to about 2 microns. In one embodiment, transmitted light is detected simultaneously at different wavelengths. However, in an alternative embodiment, a first wavelength is used to detect the amount of light transmitted through the wafer at lower temperatures, while a second wavelength is used to determine the amount of light transmitted through the wafer at higher temperatures , For example, the first wavelength may be smaller than the second wavelength. The second wavelength may be used to determine the temperature of the wafer at temperatures higher than about 700 ° C.
Die Kalibrierungslichtquelle, welche bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird, kann eine kohärente Lichtquelle oder eine inkohärente Lichtquelle sein. Ein Beispiel einer kohärenten Lichtquelle ist beispielsweise ein Laser. Beispiele von inkohärenten Lichtquellen sind beispielsweise eine Wolfram-Halogenlampe oder eine Leuchtdiode.The calibration light source used in the present invention may be a coherent light source or an incoherent light source. An example of a coherent light source is, for example, a laser. Examples of incoherent light sources are, for example, a tungsten halogen lamp or a light-emitting diode.
Der Kalibrationswafer, welcher bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet wird, kann sich ändern, abhängig von der speziellen Anwendung. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Wafer ein Siliziumwafer. Um Interferenzeffekte zu vermindern und die Lichtmenge, welche durch den Kalibrationswafer durchgelassen wird, zu maximieren, kann der Kalibrationswafer reflexionsdämpfende Beschichtungen umfassen, welche auf einer oder beiden Oberflächen des Wafers aufgetragen sind. Für Messungen bei höheren Temperaturen kann der Kalibrationswafer ferner dünne Bereiche umfassen, wo die Durchstrahlungsmessungen vorgenommen werden und die Temperaturmeßvorrichtungen kalibriert werden.The calibration wafer used in the method of the present invention may vary, depending on the particular application. In one embodiment, the wafer is a silicon wafer. In order to reduce interference effects and maximize the amount of light transmitted through the calibration wafer, the calibration wafer may include reflection attenuating coatings deposited on one or both surfaces of the wafer. For higher temperature measurements, the calibration wafer may further include thin areas where the transmission measurements are made and the temperature measurement devices are calibrated.
Wenn der Kalibrationswafer einen dünnen Bereich umfaßt, kann der dünne Bereich gemäß verschiedenen Verfahren hergestellt werden. Beispielsweise kann der Kalibrationswafer bei einem Ausführungsbeispiel eine Öffnung definieren. Der dünne Bereich kann ein dünnes Element umfassen, welches über der Öffnung angeordnet ist. Alternativ kann der dünne Bereich einstückig mit dem Rest des Wafers verbunden sein.If the calibration wafer comprises a thin area, the thin area can be made according to various methods. For example, in one embodiment, the calibration wafer may define an opening. The thin region may comprise a thin element disposed over the aperture. Alternatively, the thin region may be integrally connected to the remainder of the wafer.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann der dünne Bereich beim Erwärmen infolge von Unterschieden der thermischen Eigenschaften zwischen dem dünnen Bereich und dem Rest des Wafers Temperaturgefälle erzeugen. Infolgedessen kann eine Beschichtung auf dem Kalibrationswafer angeordnet werden, welche geeignet ist, die Unterschiede der thermischen Eigenschaften zwischen dem dünnen Bereich und dem Rest des Wafers zu vermindern. Die Beschichtung kann aus einfachen oder mehrlagigen Filmen hergestellt werden. Die Beschichtung kann beispielsweise Silizium, Polysilizium und/oder Siliziumnitrid enthalten. Bei einem speziellen Ausführungsbeispiel kann der dünne Bereich mit einem Füllelement gefüllt sein, um thermisch wirksame Massenunterschiede zu vermindern. Das Füllelement kann aus Quarz oder Aluminiumoxid, wie etwa Saphir, hergestellt sein.In some embodiments, the thin region may generate temperature gradients when heated due to differences in thermal properties between the thin region and the remainder of the wafer. As a result, a coating can be placed on the calibration wafer, which is suitable to reduce the differences in thermal properties between the thin region and the remainder of the wafer. The coating can be made from single or multi-layered films. The coating may contain, for example, silicon, polysilicon and / or silicon nitride. In a particular embodiment, the thin region may be filled with a filler to reduce mass differences in thermal mass. The filler may be made of quartz or alumina, such as sapphire.
Es sei bemerkt, daß der Kalibrationswafer aus verschiedenen Materialien hergestellt werden kann. Bei einem Ausführungsbeispiel kann der Kalibrationswafer beispielsweise aus einem im wesentlichen lichtundurchlässigen Material hergestellt sein. Lichtundurchlässige Materialien sind nützlich, wenn Pyrometer bei niedrigeren Temperaturen kalibriert werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann der Kalibrationswafer ferner Bereiche umfassen, welche aus durchlässigen Materialien, wie etwa Silizium, hergestellt sind. Die Siliziumbereiche können verwendet werden, um die Durchstrahlung zu messen, während die lichtundurchlässigen Bereiche in Ausrichtung mit den Pyrometern angeordnet werden können.It should be noted that the calibration wafer can be made of different materials. For example, in one embodiment, the calibration wafer may be made of a substantially opaque material. Opaque materials are useful when calibrating pyrometers at lower temperatures. In this embodiment, the calibration wafer may further include regions made of transmissive materials, such as silicon. The silicon regions can be used to measure the transmission while the opaque regions can be aligned with the pyrometers.
Kurze Beschreibung der ZeichnungShort description of the drawing
Eine vollständige und nachvollziehbare Offenbarung der vorliegenden Erfindung, welche die beste Ausführungsweise davon umfaßt, für gewöhnlich Fachkundige ist im Rest der Beschreibung unter Verweis auf die beigefügten Figuren genauer dargelegt, wobei:A complete and comprehensible disclosure of the present invention, which includes the best mode for practicing thereof, to those skilled in the art, is set forth in detail in the remainder of the specification with reference to the accompanying drawings, in which:
die
Eine wiederholte Verwendung von Bezugszeichen in der vorliegenden Beschreibung und der Zeichnung soll gleiche bzw. analoge Merkmale bzw. Elemente der Erfindung darstellen.Repeated use of reference signs in the present specification and drawings is intended to represent the same or analogous features or elements of the invention.
Genaue Beschreibung der bevorzugten AusführungsbeispieleDetailed description of the preferred embodiments
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum genaueren Bestimmen und Regeln der Temperatur eines Gegenstands, insbesondere eines Halbleiterwafers, in einer Wärmebehandlungskammer während einer Wärmebehandlung. Genauer betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und ein System zum Kalibrieren von Temperaturmeßvorrichtungen, welche in Wärmebehandlungskammern enthalten sind, so daß die Wärmebehandlungskammer in wiederholbarerer Weise und genauer arbeitet. Beispielsweise ist es wichtig, daß Temperaturerfassungsvorrichtungen, welche in Wärmebehandlungskammern enthalten sind, die Temperatur von Halbleiterwafern genau messen, wenn diese erwärmt werden. Im Hinblick darauf sollten die Temperaturerfassungsvorrichtungen kalibriert werden, um zu gewährleisten, daß diese die Temperatur des Wafers genau verfolgen.The present invention relates to a method and system for more accurately determining and controlling the temperature of an article, in particular a semiconductor wafer, in a heat treatment chamber during a heat treatment. More particularly, the present invention relates to a method and system for calibrating temperature measuring devices contained in heat treatment chambers so that the heat treatment chamber operates in a more repeatable and accurate manner. For example, it is important that temperature sensing devices included in heat treatment chambers accurately measure the temperature of semiconductor wafers as they are heated. In view of this, the temperature sensing devices should be calibrated to ensure that they closely track the temperature of the wafer.
Generell umfaßt das Verfahren der vorliegenden Erfindung zum Kalibrieren von Temperaturerfassungsvorrichtungen, insbesondere von Strahlungserfassungsvorrichtungen, wie etwa Pyrometern, den Schritt des Anordnens eines Kalibrationswafers in einer Wärmebehandlungskammer. Eine Kalibrierungslichtquelle, welche in der Kammer angeordnet ist, ist geeignet eingerichtet, um Lichtenergie mit einer bekannten Wellenlänge auf den Wafer abzustrahlen. Auf der gegenüberliegenden Seite des Wafers ist ein Lichtdetektor angeordnet, welcher die Lichtmenge von der Kalibrierungslichtquelle, welche durch den Wafer durchgelassen wird, erfaßt. Diese Information wird verwendet, um eine Temperaturerfassungsvorrichtung zu kalibrieren, welche in der Kammer enthalten ist, welche während einer normalen Waferbehandlung verwendet wird.Generally, the method of the present invention for calibrating temperature sensing devices, particularly radiation sensing devices, such as pyrometers, includes the step of placing a calibration wafer in a heat treatment chamber. A calibration light source, which is arranged in the chamber is adapted to radiate light energy of a known wavelength on the wafer. On the opposite side of the wafer, a light detector is arranged, which detects the amount of light from the calibration light source, which is transmitted through the wafer. This information is used to calibrate a temperature sensing device contained within the chamber used during normal wafer processing.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine automatische Kalibration eines Temperaturmeßsystems durch einen automatisierten Ablauf, welcher mit einem Halblleiterwaferbehandlungssystem durchgeführt wird. Das Temperaturkalibrationsverfahren basiert auf einer örtlichen Messung der Durchstrahlung von Infrarotlicht durch den Halbleiterwafer. Die Waferbehandlungsvorrichtung umfaßt sowohl eine Vorrichtung zum Messen eines Signals, welches von dem Infrarotlicht, welches durch den Wafer durchgelassen wird, kommt, als auch ein Temperaturmeßsystem, wie etwa ein Pyrometersystem, welches bei einer normalen Behandlung zur Temperaturmessung und -regelung verwendet wird. Bekanntes Wissen über die Temperaturabhängigkeit der optischen Eigenschaften des Wafers, welcher für das Kalibrationsverfahren verwendet wird, wird mit dem gemessenen Infrarotdurchstrahlungssignal kombiniert, um die Wafertemperatur abzuleiten. Die Wafertemperatur wird verwendet, um ein Pyrometersystem oder eine andere Temperaturmeßvorrichtung zu kalibrieren.The present invention enables automatic calibration of a temperature measurement system by an automated process performed with a semiconductor wafer processing system. The temperature calibration method is based on a local measurement of the transmission of infrared light through the semiconductor wafer. The wafer processing apparatus includes both a device for measuring a signal coming from the infrared light transmitted through the wafer, and a temperature measuring system, such as a pyrometer system, used in a normal temperature measurement and control process. Known knowledge about the temperature dependence of the optical properties of the wafer used for the calibration process is combined with the measured infrared transmission signal to derive the wafer temperature. The wafer temperature is used to calibrate a pyrometer system or other temperature measuring device.
Die Intensität einer Lichtquelle auf einer Seite eines Kalibrationswafers wird moduliert, und ein Detektor auf der gegenüberliegenden Seite erfaßt ein Signal, welches zu der Lichtmenge, welche durch den Wafer durchgelassen wird, proportional ist. Das System umfaßt ein Verfahren zum Auswählen der Wellenlänge der beobachteten Strahlung. Das durchgelassene Signal hängt von der optischen Absorption in dem Wafer ab, welche ein Funktion der Temperatur ist. Infolgedessen kann die Wafertemperatur aus dem durchgelassenen Lichtsignal abgeleitet werden.The intensity of a light source on one side of a calibration wafer is modulated, and a detector on the opposite side detects a signal which is proportional to the amount of light transmitted through the wafer. The system includes a method for selecting the wavelength of the observed radiation. The transmitted signal depends on the optical absorption in the wafer, which is a function of temperature. As a result, the wafer temperature can be derived from the transmitted light signal.
Die Infrarotdurchlässigkeitsmessung wird derart abgestimmt, daß diese bei einer Position auf dem Wafer erfolgt, welche sich in dem Sichtfeld bzw. nahe bei dem Sichtfeld (innerhalb einiger Zentimeter) des Pyrometers oder einer anderen Temperaturmeßvorrichtung befindet. Wenn das System eine Waferdrehung ermöglicht, ist es ferner möglich, daß die Infrarotdurchlässigkeitsmessung bei dem gleichen Radius oder nahe bei dem gleichen Radius wie dem des Sichtfelds des Pyrometers bzw. der Temperaturvorrichtung, welches bzw. welche kalibriert wird, durchgeführt wird. Vorausgesetzt, daß die Waferdrehung mit einer Geschwindigkeit erfolgt, welche schnell genug ist, um eine winkelsymmetrische Temperaturverteilung zu erzeugen, ist die Temperatur, welche bei der Infrarotmessung gemessen wird, die gleiche wie die, welche durch das Pyrometer bei dem gleichen speziellen Radius aufgenommen wird. Bei einem Ausführungsbeispiel können die gleiche Faser bzw. die optischen Einrichtungen, welche zu dem Lichtdetektor zum Bestimmen der Infrarotlichtmenge, welche durch den Wafer durchgelassen wird, führen, zu dem Pyrometer führen, wie etwa durch optisches Teilen des Signals.The infrared transmission measurement is tuned to occur at a position on the wafer that is in the field of view or near the field of view (within a few centimeters) of the pyrometer or other temperature measuring device. Further, if the system permits wafer rotation, it is possible for the infrared transmission measurement to be performed at the same radius or near the same radius as that of the field of view of the pyrometer or temperature device being calibrated. Provided that the wafer rotation occurs at a speed fast enough to produce an angularly symmetric temperature distribution, the temperature measured in the infrared measurement is the same as that received by the pyrometer at the same particular radius. In one embodiment, the same fiber (s) leading to the light detector for determining the amount of infrared light transmitted through the wafer may lead to the pyrometer, such as by optically splitting the signal.
Eine Kalibration der Temperaturmeßvorrichtung kann durch einen automatischen Ablauf erfolgen, wobei Wafer automatisch eingelegt werden und eine Kalibrationsvorschrift den Wafer in einem vorgeschriebenen Temperaturzeitzyklus erwärmt und Daten durch das Infrarotdurchstrahlungssystem und das Pyrometersystem aufgenommen werden. Der Ablauf kann eine Stufe umfassen, auf welcher die Messung vorgenommen wird, wobei sich der Wafer auf einer Temperatur befindet, bei welcher dessen Durchlässigkeit bekannt ist und diese nicht sehr temperaturempfindlich ist. Dies ermöglicht, daß das Signal korrigiert wird, so daß die Durchlässigkeitsmessung nicht sehr empfindlich auf Änderungen der optischen Eigenschaften des Durchlässigkeitsmeßsystems oder des Kalibrationswafers reagiert.Calibration of the temperature measuring device may be accomplished by an automated process, with wafers automatically inserted and a calibration protocol heating the wafer in a prescribed temperature-time cycle and collecting data through the infrared transmission system and the pyrometer system. The process may include a step on which the measurement is taken, the wafer being at a temperature at which its permeability is known and it is not very temperature sensitive. This allows the signal to be corrected so that the transmission measurement is not very sensitive to changes in the optical properties of the transmission measurement system or the calibration wafer.
Das Durchstrahlungssignal wird durch einen Algorithmus, welcher die Eigenschaften des Wafers berücksichtigt, welcher für die Kalibration verwendet wird, als Temperatur interpretiert. Der Algorithmus kann Informationen über die Dicke des Wafers, die Wellenlänge des Lichts, welches zur Kalibration verwendet wird, und andere Parameter aufnehmen, welche dazu beitragen, die Genauigkeit des Temperaturwerts, welcher aus dem Durchstrahlungssignal abgeleitet wird, zu erhöhen.The transmission signal is interpreted as temperature by an algorithm which takes into account the properties of the wafer used for the calibration. The algorithm can capture information about the thickness of the wafer, the wavelength of light used for calibration, and other parameters that help increase the accuracy of the temperature value derived from the transmission signal.
Das Verfahren zum Kalibrieren der Temperaturmeßvorrichtungen kann ferner einen Schritt umfassen, in welchem Messungen, welche das Durchstrahlungssystem verwenden, erfolgen, bevor ein Wafer in die Wärmebehandlungskammer eingelegt wird. Das Verhältnis des Durchstrahlungssignals mit einem Wafer in Position, verglichen mit dem ohne Wafer, liefert einen Schätzwert der Durchlässigkeit des Wafers. Die gemessene Durchlässigkeit des Wafers kann sodann verwendet werden, um zu gewährleisten, daß ein einwandfreier Wafer eingelegt wurde, und um die Verschlechterung des Wafers zu prüfen. Das Durchstrahlungssignalniveau, wenn kein Wafer vorhanden ist, ist ferner ein nützlicher Indikator für den Zustand des optischen Systems für Durchlässigkeitsmessungen.The method for calibrating the temperature measuring devices may further comprise a step in which measurements using the transmission system take place before a wafer is placed in the heat treatment chamber. The ratio of the transmission signal to a wafer in position compared to that without wafer provides an estimate of the transmissivity of the wafer. The measured transmittance of the wafer can then be used to ensure that a proper wafer has been loaded and to test for the deterioration of the wafer. The transmission signal level when there is no wafer is also a useful indicator of the state of the optical system for transmission measurements.
Das Verfahren und das System der vorliegenden Erfindung bieten verschiedene Vorteile und Vorzüge. Beispielsweise stellt die vorliegende Erfindung ein relativ einfaches Verfahren zum raschen Kalibrieren der Strahlungserfassungsvorrichtungen zur Verfügung. Die Kalibrationen können, wenn dies erwünscht ist, durch Anordnen eines Kalibrationswafers in der Wärmebehandlungskammer automatisch zwischen Wafern oder Wafergruppen durchgeführt werden. Ferner kann ein Kalibrationswafer unter Verwendung der gleichen Vorrichtung, welche die Wafer bewegt und befördert, in die Wärmebehandlungskammer eingelegt und aus dieser entnommen werden. The method and system of the present invention offer several advantages and benefits. For example, the present invention provides a relatively simple method for rapidly calibrating the radiation sensing devices. The calibrations may, if desired, be performed automatically by placing a calibration wafer in the heat treatment chamber between wafers or wafer groups. Further, a calibration wafer may be inserted and removed from the heat treatment chamber using the same apparatus that moves and conveys the wafers.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Kalibration von Strahlungserfassungsvorrichtungen in Wärmebehandlungskammern gemäß einem relativ einfachen Verfahren, welches keine wesentliche Störung des Betriebs der Kammer erfordert. Die vorliegende Erfindung kann verwendet werden, um pyrometrische Einpunkt- oder Mehrpunktsysteme zu kalibrieren. Ferner ermöglichen das Verfahren und das System der vorliegenden Erfindung eine Kalibration, ohne einen mit einem Thermoelement versehenen Wafer aufnehmen zu müssen, wie dies in der Vergangenheit der Fall war.The present invention enables the calibration of radiation detectors in heat treatment chambers according to a relatively simple process which does not require significant disturbance of the operation of the chamber. The present invention can be used to calibrate one or more point pyrometric systems. Further, the method and system of the present invention allow for calibration without having to accommodate a thermocoupled wafer as in the past.
In
Messungen der Durchlässigkeit des Wafers können verwendet werden, um die Temperatur zu bestimmen, da der Absorptionskoeffizient α(λ, T) von Silizium eine Funktion der Wellenlänge λ der Strahlung und der Temperatur T ist. Die folgende Erörterung umfaßt die mathematischen Prinzipien, welche die Durchlässigkeitsmessungen mit α(λ, T) verknüpfen.Measurements of the transmissivity of the wafer can be used to determine the temperature since the absorption coefficient α (λ, T) of silicon is a function of the wavelength λ of the radiation and the temperature T. The following discussion includes the mathematical principles that link the transmission measurements to α (λ, T).
Ein allgemeiner Wafer weist verschiedene Eigenschaften auf, welche zu berücksichtigen sind. Die zwei Oberflächen des Wafers können verschiedene Reflexionswerte und Durchlässigkeitswerte aufweisen. Ferner können die Reflexionswerte der Oberflächen für Strahlung, welche von außerhalb des Wafers bzw. von innerhalb des Wafers auf diese trifft, verschieden sein. Wenn ein Wafer halbtransparent ist, beeinflussen mehrfache Reflexionen der verschiedenen Energiestrahlen, welche in dem Wafer laufen, dessen scheinbares Reflexionsvermögen R·(λ, T) und dessen scheinbare Durchlässigkeit S·(λ, T) gemäß Betrachtung von außerhalb des Wafers. Die zuletzt genannten Größen können durch optische Messungen direkt gemessen werden. Bei dem Kalibrationsverfahren kann S·(λ, T) gemessen werden, da diese Größe die temperaturempfindlichste ist (obgleich R·(λ, T) gleichfalls für Temperaturmessungen verwendet werden kann). In einigen Schriften wird R·(λ, T) als Reflexionswert und S·(λ, T) als Durchlässigkeitswert bezeichnet.A general wafer has various properties to be considered. The two surfaces of the wafer may have different reflectance values and transmission values. Further, the reflectance values of the surfaces for radiation striking them from outside the wafer or from within the wafer may be different. When a wafer is semi-transparent, multiple reflections of the various energy beams traveling in the wafer, its apparent reflectivity R x (λ, T), and its apparent transmission S x (λ, T), as viewed from outside the wafer. The latter quantities can be measured directly by optical measurements. In the calibration method, S x (λ, T) can be measured since this size is the most temperature sensitive (although R x (λ, T) can also be used for temperature measurements). In some documents, R x (λ, T) is referred to as the reflection value and S x (λ, T) as the transmittance value.
In der nachfolgenden Erörterung ist Tt die Durchlässigkeit der oberen Oberfläche des Wafers, Tb ist die Durchlässigkeit der unteren Oberfläche des Wafers, Rts ist das Reflexionsvermögen der oberen Oberseite des Wafers für Strahlung, welche von innerhalb des Substrats auf diese trifft, und Rbs ist das Reflexionsvermögen der unteren Oberfläche des Wafers für Strahlung, welche von innerhalb des Substrats auf diese trifft. Generell sind, wenn die einfallende Strahlung nicht lotrecht einfällt, sämtliche Eigenschaften Funktionen der Polarisationsebene der Strahlung. Die Größe A ist die Intensitätsdämpfung eines Strahls, welcher durch das Substrat läuft, welche gegeben ist durch
Wobei d die Dicke des Substrats ist und θ der innere Laufrichtungswinkel ist. Der zuletzt genannte Winkel ist der Winkel der Richtung des Strahls und der Lotrechten zu der Waferoberfläche. Die scheinbare Durchlässigkeit des Wafers ist sodann durch den Ausdruck gegeben Where d is the thickness of the substrate and θ is the inner running direction angle. The latter angle is the angle of the direction of the beam and the perpendicular to the wafer surface. The apparent transmissivity of the wafer is then given by the term
Das Signal, welches bei dem Photodetektor V(T) in der Vorrichtung gemessen wird, ist direkt proportional zu dieser Größe und zu der Intensität der Strahlung, welche von der Beleuchtungslichtquelle I0 auf den Wafer fällt. Die Beziehung lautet
Wobei C eine Konstante ist, welche durch die optischen und elektronischen Einrichtungen beeinflußt wird, welche sich jedoch nicht mit der Wafertemperatur ändert. Um die Wafertemperatur abzuleiten, sollten die Wirkungen der unbekannten Größen, welche I0 und C umfassen, aus den Messungen eliminiert werden. Dies kann in mehreren Weisen erfolgen. Die optischen Eigenschaften der Waferoberflächen (wie etwa deren Reflexionswerte und Durchlässigkeitswerte) sollten gleichfalls berücksichtigt werden. Ein „Normierungsverfahren“ kann diese Aspekte berücksichtigen. Beispielsweise sind im folgenden zwei Ansätze beschrieben:
- (a) Normieren bezüglich des Falls, daß der Wafer nicht in dem System vorhanden ist:
In diesem Fall wird der Durchlässigkeitswert des Systems
1 , da kein Wafer vorhanden ist, um Strahlung zu absorbieren oder zu reflektieren. Es kann ein Normierungssignal V00 gemessen werden, welches gegeben ist durchV00 = CI0 (4)
- (a) normalizing with respect to the case that the wafer is not present in the system: in this case, the transmittance value of the system becomes
1 because there is no wafer to absorb or reflect radiation. It can be measured a normalization signal V 00 , which is given byV 00 = CI 0 (4)
Durch Dividieren eines Signals V(T) eines „heißen Wafers“ durch V00 können die Wirkungen von C und I0 eliminiert werden. Die Wirkungen der anderen Größen in S·(λ, T) müssen jedoch weiterhin berücksichtigt werden. Dies kann durch Kenntnis der optischen Eigenschaften des verwendeten Wafers bewerkstelligt werden, wobei dies Tt, Tb, Rbs und Rts umfaßt. Im Hinblick darauf kann der Wafer, welcher bei dem Kalibrationsverfahren verwendet wird, derart ausgewählt werden, daß diese Größen durch Ausführen von Berechnungen auf Basis der bekannten Filmbeschichtungen auf den Oberflächen des Wafers bestimmt werden können. Die Berechnungen können ferner durch verschiedene optische Messungen, welche unter kontrollierten Bedingungen vorgenommen werden können, erweitert werden. Der Absorptionskoeffizient kann sodann durch Auflösen nach A in Gleichung 1 aus dem gemessenen Wert von S·(λ, T) erhalten werden. Wenn A bekannt ist, ist es möglich, eine Korrektur für die Wirkung der Waferdicke (welche gemessen wurde) vorzunehmen und α(λ, T) abzuleiten. Da die Funktion α(λ, T) bekannt ist, kann T abgeleitet werden. Dieser Ablauf ermöglicht es ferner, Korrekturen für Änderungen der Wellenlänge der Lichtquelle vorzunehmen. Das genaue Verfahren zum Verwirklichen dieses Ablaufs kann sich in Abhängigkeit von der Anwendung ändern. Beispielsweise kann man als ein Beispiel eine Matrixgruppe für S·(λ, T) mit Waferdicke und Quellenwellenlänge als Parametern und T als Variabler erzeugen und sodann einen Optimalwert für T hinsichtlich der Übereinstimmung mit dem gemessenen Wert von S·(λ, T) numerisch bestimmen.By dividing a signal V (T) of a "hot wafer" by V 00 , the effects of C and I 0 can be eliminated. However, the effects of the other quantities in S · (λ, T) still need to be considered. This can be done by knowing the optical properties of the wafer used, which includes T t , T b , R bs and R ts . In view of this, the wafer used in the calibration process can be selected such that these quantities can be determined by performing calculations based on the known film coatings on the surfaces of the wafer. The calculations can be further extended by various optical measurements which can be made under controlled conditions. The absorption coefficient can then be obtained by solving for A in Equation 1 from the measured value of S · (λ, T). If A is known, it is possible to make a correction for the effect of the wafer thickness (which has been measured) and derive α (λ, T). Since the function α (λ, T) is known, T can be derived. This process also makes it possible to make corrections for changes in the wavelength of the light source. The exact method of implementing this procedure may vary depending on the application. For example, as an example, one may generate a matrix group for S · (λ, T) with wafer thickness and source wavelength as parameters and T as a variable, and then numerically determine an optimum value for T in accordance with the measured value of S · (λ, T) ,
Die Größen Tt, Tb, Rbs und Rts können ihrerseits Temperatur- und Wellenlängenabhängigkeiten aufweisen. Genauigkeitshalber sollte dieser Effekt bei der analytischen Auswertung dadurch berücksichtigt werden, daß das bekannte Verhalten der Waferoberflächen explizit einbezogen wird. Wiederum sind die Korrekturen durch Verwenden optischer Standardverfahren der analytischen Auswertung zum Berechnen von Tt, Tb, Rbs und Rts als Funktionen von Wellenlänge und Temperatur möglich.The variables T t , T b , R bs and R ts may in turn have temperature and wavelength dependencies. For the sake of accuracy, this effect should be taken into account in the analytical evaluation by explicitly including the known behavior of the wafer surfaces. Again, the corrections are possible by using standard optical methods of analytical evaluation to calculate T t , T b , R bs and R ts as functions of wavelength and temperature.
(b) Normieren bezüglich des Falls, daß sich der Wafer in einem „kühlen“ Zustand befindet:
In diesem Fall wird das Normierungssignal V01 aufgenommen, nachdem der Kalibrationswafer in das System eingelegt wurde. V01 ist gegeben durch
In this case, the normalization signal V 01 is recorded after the calibration wafer is inserted into the system. V 01 is given by
Wenn nun ein Signal V(T) eines „heißen Wafers“ unter Verwendung von V01 normiert wird, erhält man den Ausdruck Now, if a signal V (T) of a "hot wafer" is normalized using V 01 , the expression is obtained
Vorausgesetzt, daß Tt und Tb nicht von der Temperatur abhängen, vereinfacht sich dies sodann zu Provided that T t and T b do not depend on the temperature, this then simplifies
Eine weitere Vereinfachung kann durch Prüfen der Größenordnung des Produkts A2RtsRbs erfolgen, welches in Ausdruck 8 erscheint. Dieser Ausdruck ist aus zwei Gründen gewöhnlich sehr klein. Erstens muß für eine gute Temperaturempfindlichkeit eine angemessen starke Absorption in dem Wafer vorliegen, also sollte sich A deutlich unter 1 befinden. Zweitens kann ein Wafer ausgewählt werden, welcher bei der Durchlässigkeitsmessungswellenlänge relativ kleine Werte für das Reflexionsvermögen der Waferoberfläche aufweist. Dies kann getan werden, um das durchgelassene Lichtsignal zu maximieren. Ein weiterer praktisch bedeutsamer Punkt ist, daß der Interferenzeffekt, welcher zu beobachten ist, wenn kohärente Lichtquellen zur Beleuchtung verwendet werden, einige Probleme bei den Messungen verursacht. Durch Vorliegen eines sehr kleinen Werts für Rts oder Rbs können die oben genannten Probleme vermindert werden. Ferner ist selbst für einen einfachen Siliziumwafer Rts = Rbs ≈ 0,3, also RtsRbs ≈ 0,09. Somit ist der Term RtsRbs gewöhnlich << 1. Infolgedessen kann man die Näherung des Vernachlässigens dieses Terms, verglichen mit 1, in dem Nenner des Ausdrucks 8 vornehmen. Diese Vereinfachung führt zu einer einfachen Form für das Signal, wenn dieses bezüglich des „kühlen“ Zustands normiert wird vorausgesetzt, daß RtsRbs << 1 ist, kann sich der Ausdruck weiter vereinfachen zu Further simplification may be made by checking the magnitude of the product A 2 R ts R bs appearing in expression 8. This term is usually very small for two reasons. First, for a good temperature sensitivity, there must be a reasonably strong absorption in the wafer, so A should be well below 1. Second, a wafer can be selected which has relatively small values of reflectivity of the wafer surface at the transmission measurement wavelength. This can be done to maximize the transmitted light signal. Another practically significant issue is that the interference effect observed when coherent light sources are used for illumination causes some problems in the measurements. By having a very small value for R ts or R bs , the above problems can be alleviated. Furthermore, even for a simple silicon wafer, R ts = R bs ≈ 0.3, that is, R ts R bs ≈ 0.09. Thus, the term R ts R bs is usually << 1. As a result, one can make the approximation of neglecting this term compared to 1 in the denominator of Expression 8. This simplification results in a simple form for the signal when normalized with respect to the "cool" state provided that R ts R bs << 1, the expression can be further simplified
Der Vorteil dieses Ansatzes ist, daß es, vorausgesetzt, daß bei Tt bzw. Tb keine bedeutende Temperaturabhängigkeit vorliegt, nicht notwendig ist, die optischen Eigenschaften der Waferoberflächen zu kennen. Dies kann die Temperaturinterpretation unempfindlicher gegen Änderungen der Eigenschaften von Beschichtungen auf dem Wafer und die Feinstruktur der Oberflächen machen.The advantage of this approach is that, given that there is no significant temperature dependence at T t or T b , it is not necessary to know the optical properties of the wafer surfaces. This can make the temperature interpretation less sensitive to changes in the properties of coatings on the wafer and the fine structure of the surfaces.
Die Frage, welcher Normierungsansatz besser ist, wird durch praktische Erwägungen bestimmt. Der Vorteil des Falls, daß die Messung vorgenommen wird, ohne daß der Wafer vorhanden ist, ist, daß man keine Interferenzeffekte zu fürchten braucht, welche ihren stärksten Einfluß in dem „kalten“ Zustand aufweisen. Der Vorteil des Vornehmens der Messung, wobei sich der Wafer in dem „kühlen“ Zustand befindet, ist, daß ein automatischer Ausgleich für jegliche kleinen Schwankungen der Oberflächenreflexionswerte, -durchlässigkeiten oder -feinstruktureffekte erfolgt.The question of which standardization approach is better is determined by practical considerations. The advantage of the case that the measurement is made without the wafer being present is that one need not fear any interference effects which have their strongest influence in the "cold" state. The advantage of making the measurement while the wafer is in the "cool" state is that it automatically compensates for any small variations in surface reflectance, transmittance, or fine-structure effects.
Die oben beschriebene analytische Auswertung basiert vollständig auf der Voraussetzung, daß das scheinbare Reflexionsvermögen und die scheinbare Durchlässigkeit durch Aufaddieren der Energiebeiträge berechnet werden können, welche durch die verschiedenen Strahlen entstehen, welche mehrfache Reflexionen durchlaufen, welche in
In dem Fall, daß die Lichtquelle „kohärent“ ist, umfaßt die Strahlung, welche erfaßt wird, typischerweise einen sehr schmalen Bereich von Wellenlängen, und/oder der Wafer ist optisch „dünn“. In diesem Fall kann eine starke Korrelation zwischen den elektrischen Feldern der verschiedenen Strahlen, welche in dem Wafer verlaufen, vorliegen. Wenn dies der Fall ist, gibt das Aufaddieren der Energiebeiträge nicht die korrekten physikalischen Verhältnisse wieder. Stattdessen ist es notwendig, eine vektorielle Summierung der elektrischen und magnetischen Felder der elektromagnetischen Wellen vorzunehmen, welche mit den Strahlen verbunden sind, welche mehrfache Reflexionen durchlaufen, um die richtigen scheinbaren Reflexionswerte und Durchlässigkeitswerte zu erhalten. Unter diesen Bedingungen wird die Wirkung der Phasenänderungen der Wellen, wenn diese das Substrat durchqueren, sehr wichtig. Wenn die Felder für zwei Wellenkomponenten in Phase addiert werden, so ist die Wirkung als konstruktive Interferenz bekannt, da das resultierende Feld verstärkt wird, und wenn diese genau außer Phase sind, so ist dies als destruktive Interferenz bekannt, da das resultierende Feld abgeschwächt wird. Diese Interferenzeffekte können einen stärkeren Einfluß auf die optischen Eigenschaften ausüben und machen diese ferner extrem empfindlich gegenüber der Phasenänderung, welche erfolgt, und daher gegenüber der Waferdicke, der Wellenlänge der Strahlung, dem Einfallswinkel und dem Brechungsindex des Substrats.In the case that the light source is "coherent", the radiation that is detected typically includes a very narrow range of wavelengths and / or the wafer is optically "thin". In this case, there may be a strong correlation between the electric fields of the various beams passing in the wafer. If this is the case, adding the energy contributions will not reflect the correct physical conditions. Instead, it is necessary to make a vectorial summation of the electric and magnetic fields of the electromagnetic waves associated with the rays which undergo multiple reflections to obtain the proper apparent reflectance and transmittance values. Under these conditions, the effect of the phase changes of the waves as they traverse the substrate becomes very important. When the fields for two wave components are added in phase, the effect is known as constructive interference, since the resulting field is amplified, and if these are exactly out of phase, this is known as destructive interference, because the resulting field is weakened. These interference effects can exert a stronger influence on the optical properties and also make them extremely sensitive to the phase change that occurs and therefore to the wafer thickness, the wavelength of the radiation, the angle of incidence and the refractive index of the substrate.
Dies kann ein Problem darstellen, da dies mit sehr starken Schwankungen der erfaßten Signale verbunden ist, welche nicht mit Änderungen von α(λ, T), dem Absorptionskoeffizienten von Silizium, verknüpft sind. Das Problem wird stark vermindert, wenn die Absorption ansteigt und der Wafer lichtundurchlässig wird, da die mehrfachen Reflexionen stark gedämpft werden und der größte Teil der durchgelassenen Lichtintensität hauptsächlich von dem Licht herrührt, welches direkt durch das Substrat läuft, so daß Interferenzeffekte einen geringen Einfluß ausüben. Nachfolgend werden verschiedene Verfahren zum Vermindern von Problemen, welche durch Interferenzeffekte entstehen, beschrieben.This can be a problem since this is associated with very large fluctuations in the detected signals which are not associated with changes in α (λ, T), the absorption coefficient of silicon. The problem is greatly diminished as the absorption increases and the wafer becomes opaque, since the multiple reflections are strongly attenuated and most of the transmitted light intensity is mainly due to the light passing directly through the substrate, so that interference effects exert little influence , Hereinafter, various methods of reducing problems caused by interference effects will be described.
Aus dem Verhältnis der Durchstrahlung eines Wafers bei einer relativ hohen Temperatur zu der Durchstrahlung, wenn die Absorption vernachlässigbar ist (siehe die obigen Gleichungen), wie etwa bei niedrigen Temperaturen oder wenn kein Wafer in dem System vorhanden ist, kann die Temperatur des Wafers bei den höheren Temperaturen berechnet werden. Beispielsweise ist
Bei den enthaltenen Lichtwellenlängen werden Temperaturmessungen oberhalb von etwa 850°C jedoch schwierig´, da das durchgelassene Lichtsignal schwach wird und schwierig zu erfassen ist. Um Temperaturmessungen selbst bei höheren Temperaturen vorzunehmen, kann ein Kalibrationswafer verwendet werden, welcher dünner als der 725-Mikrometer-Wafer ist, welcher verwendet wird, um die Ergebnisse in
Wenn die Temperaturmeßvorrichtung
Für viele Anwendungen sollte sich der Kalibrationspunkt innerhalb eines Bereichs von ≈ Ld um das Sichtfeld des Pyrometers befinden. Wenn die Temperatur ansteigt, wird die Entfernung kleiner. Beispielsweise kann diese Entfernung bei hohen Temperaturen, wie etwa mehr als 1100°C, beispielsweise etwa 4 mm klein sein. Dennoch sollte die Entfernung zwischen dem Kalibrationspunkt und dem Pyrometersichtfeld für viele Anwendungen etwa 3Ld nicht überschreiten. Beispielsweise sollte die Entfernung zwischen dem Ort auf dem Wafer, wo die Temperatur durch die Temperaturmeßvorrichtung gemessen wird, und dem Ort auf dem Wafer, wo der Lichtdetektor das durchgelassene Licht erfaßt, bei den meisten Anwendungen nicht größer als etwa 5 cm sein.For many applications, the calibration point should be within a range of ≈ L d around the field of view of the pyrometer. As the temperature increases, the distance becomes smaller. For example, this distance may be small at high temperatures, such as more than 1100 ° C, for example, about 4 mm. However, for many applications, the distance between the calibration point and the pyrometer field of view should not exceed about 3L d . For example, the distance between the location on the wafer where the temperature is measured by the temperature measuring device and the location on the wafer where the light detector detects the transmitted light should not be greater than about 5 cm in most applications.
Wenn der Wafer in der Wärmebehandlungskammer gedreht wird, kann die Genauigkeit dadurch aufrechterhalten werden, daß das durchgelassene Licht bei dem gleichen bzw. nahe bei dem gleichen Radius des Wafers wie dem, bei welchem die Temperaturmeßvorrichtung
In
Das System
Wenn die Kammer
Die Kammer
Alternativ kann ein inertes Gas durch den Gaseinlaß
Während einer Behandlung kann die Kammer
Eine Wärmequelle, generell
Die Verwendung von Lampen
Außer einer Verwendung von Lampen
Ferner ist in der Kammer
Wie dargestellt, umfaßt das System
Wie in
Wie in
Um die Menge der Lichtenergie, welche durch den Wafer durchgelassen wird, genau zu messen, kann der Detektor
Die Kalibrierungslichtquelle
Wenn es notwendig ist, die Strahlungserfassungsvorrichtungen zu kalibrieren, wird ein Kalibrationswafer
In
Die Systemsteuerung
Bei einem Ausführungsbeispiel kann die Steuerung
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Systemsteuerung
Es werden nun verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung erörtert. Insbesondere wird eine erste Betriebsweise der vorliegenden Erfindung unter Verwendung einer inkohärenten Lichtquelle beschrieben, gefolgt von einer Erörterung einer Verwendung einer kohärenten Lichtquelle. Danach werden verschiedene Ausführungsbeispiele eines Kalibrationswafers beschrieben. Zuletzt werden Verfahren zum Ausführen der vorliegenden Erfindung erörtert.Various embodiments of the present invention will now be discussed. In particular, a first mode of operation of the present invention will be described using an incoherent light source, followed by a discussion of using a coherent light source. Thereafter, various embodiments of a calibration wafer will be described. Lastly, methods for carrying out the present invention will be discussed.
KalibrierungslichtquelleCalibration light source
A. Inkohärente LichtquelleA. Incoherent light source
Wie erwähnt, kann die Kalibrierungslichtquelle
Es sei ferner bemerkt, daß außer dem Aufnehmen einer einzigen Kalibrierungslichtquelle
Bei einem Ausführungsbeispiel kann die Abstrahlung der Kalibrierungslichtquelle gepulst werden, beispielsweise durch einen mechanischen Zerhacker, oder diese kann elektronisch gepulst werden. Das Abstrahlen der Lichtenergie von der Kalibrierungslichtquelle auf den Wafer in Intervallen kann dazu beitragen, die Menge des vorhandenen Hintergrundstreulichts durch Vornehmen einer Messung, wenn die Kalibrierungslichtquelle Licht abstrahlt und wenn die Kalibrierungslichtquelle kein Licht abstrahlt, zu bestimmen.In one embodiment, the radiation of the calibration light source may be pulsed, for example by a mechanical chopper, or it may be electronically pulsed. The irradiation of the light energy from the calibration light source onto the wafer at intervals may help determine the amount of background scattered light present by taking a measurement when the calibration light source emits light and when the calibration light source does not emit light.
Ein Ausführungsbeispiel eines Systems, welches gemäß der vorliegenden Erfindung unter Verwendung einer inkohärenten Lichtquelle als Kalibrierungslichtquelle
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Lampe
B. Kohärente LichtquellenB. Coherent light sources
Als Alternative zum Verwenden einer inkohärenten Lichtquelle kann die Kalibrierungslichtquelle ferner eine kohärente Lichtquelle sein, wie etwa ein Laser, welcher eine relativ hohe Energie in einem schmalen Wellenlängenbereich liefern kann. Ein spezielles Beispiel einer kohärenten Lichtquelle ist ein Halbleiterlaser. Derartige Lichtquellen sind einfach elektrisch zu modulieren. Kohärente Lichtquellen, wie etwa Laser, weisen ein sehr schmales Energieemissionsspektrum auf. Obgleich dies einige Vorteile bieten kann, kann das Vorliegen eines schmalen Emissionsspektrums auch potentielle Probleme erzeugen. Insbesondere kann das System empfindlicher gegenüber Interferenzeffekten werden, wenn Licht, welches durch die kohärente Lichtquelle abgestrahlt wird, zwischen den zwei Oberflächen des Wafers reflektiert wird. Insbesondere kann das durchgelassene Signal, welches schließlich den Lichtdetektor
Beispielsweise kann bei einem Ausführungsbeispiel eine kohärente Lichtquelle verwendet werden, welche ein Emissionsspektren mit mehreren Wellenlängen oder eine Gruppe schmaler Emissionsspektren aufweist. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann der Kalibrationswafer mindestens eine rauhe Oberfläche umfassen, obgleich dies die unerwünschte Wirkung haben kann, daß ein Teil des Lichts von der Lichtquelle gestreut wird. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann die Weglänge des Lichts, welches durch die Kalibrierungslichtquelle abgestrahlt wird, beispielsweise durch Herstellen kleiner Änderungen der Waferdicke geändert werden. Speziell kann die Dicke des Wafers etwa durch schrittweises Verkleinern in den Bereichen, in welchen die Durchlässigkeitsmessungen erfolgen sollen, geändert werden. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der Kalibrationswafer reflexionsdämpfende Beschichtungen umfassen, wie unten genauer beschrieben.For example, in one embodiment, a coherent light source may be used that has multiple wavelength emission spectra or a set of narrow emission spectra. In another embodiment, the calibration wafer may include at least one rough surface, although this may have the undesirable effect of scattering some of the light from the light source. In another embodiment of the present invention, the path length of the light emitted by the calibration light source may be changed, for example, by making small changes in the wafer thickness. Specifically, the thickness of the wafer may be changed by, for example, stepwise shrinking in the areas where the transmission measurements are to be made. In another embodiment, the calibration wafer may include reflection-damping coatings, as described in more detail below.
Wenn der Wafer beim Erwärmen gedreht wird, ist es möglich, die Drehung zu nutzen, um die Wirkung der Interferenz in dem Wafer zu vermindern. Ein Ansatz ist es, den Wafer zu drehen und das durchgelassene Lichtsignal zu messen. Wenn sich der Wafer dreht, ändert sich die Dicke des Wafers, welche durch den Infrarotstrahl geprüft wird, geringfügig, und die Bedingung für Interferenz ändert sich, wobei dies Schwankungen der durchgelassenen Lichtintensität bewirkt. Durch Aufnehmen des Signals über mindestens eine Drehung hinweg kann die Wirkung der Interferenz durch Mittelung eliminiert werden, um einen zuverlässigeren Wert für die Durchlässigkeit zu erhalten.When the wafer is rotated upon heating, it is possible to use the rotation to reduce the effect of interference in the wafer. One approach is to rotate the wafer and measure the transmitted light signal. As the wafer rotates, the thickness of the wafer which is inspected by the infrared ray slightly changes, and the condition for interference changes, causing variations in the transmitted light intensity. By picking up the signal for at least one spin, the effect of the interference can be eliminated by averaging to obtain a more reliable transmittance value.
Ein anderer Ansatz ist mit dem Anordnen eines optischen Elements (wie etwa einer geschliffenen Glasscheibe) in dem Weg der kohärenten Lichtquelle, so daß die räumliche Kohärenz des Lichtstrahls verlorengeht, verbunden. Durch Ändern der Phase der Schwingungen des elektromagnetischen Felds in dem Querschnittsprofil des Strahls und anschließendes Auffangen eines Teils des Strahls bei dem Detektor in einer derartigen Weise, daß die verschiedenen Komponenten in dem Meßsignal kombiniert werden, kann die Wirkung der Interferenz in dem Wafer bzw. den optischen Elementen stark vermindert werden. Die Verwendung mehrerer Laserquellen, welche nahe beieinander angeordnet sind, so daß diese kombiniert werden können, um einen optischen Strahl auszubilden, würde gleichfalls ähnliche Resultate erzielen. Großflächige Emissionsquellen, welche mehrere Laserelemente umfassen, können bei diesem Ausführungsbeispiel nützlich sein.Another approach is to arrange an optical element (such as a ground glass sheet) in the path of the coherent light source so that the spatial coherence of the light beam is lost. By altering the phase of the oscillations of the electromagnetic field in the cross-sectional profile of the beam and then intercepting a portion of the beam at the detector in such a way that the various components in the measurement signal are combined, the effect of the interference in the wafer or optical elements are greatly reduced. The use of multiple laser sources placed close to each other so that they can be combined to form an optical beam would also achieve similar results. Large area emission sources comprising multiple laser elements may be useful in this embodiment.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Verwendung mehrerer kohärenter Lichtquellen dazu beitragen, die zeitliche Kohärenz des Strahls durch Einführen eines Bereichs von Wellenlängen zu vermindern. Beispielsweise weisen einige Typen von Diodenlasern keine streng bestimmte Emissionswellenlänge auf. Die natürliche Streuung der Vorrichtungskenngrößen kann zu einem breiteren effektiven Spektrum zur Beleuchtung führen. Wenn dies erwünscht ist, können Lichtvorrichtungen absichtlich geeignet ausgewählt werden, um einen größeren Bereich von Wellenlängen zu liefern. Ferner können einige Lichtquellen mit den gleichen Nennwertangaben absichtlich bei verschiedenen Temperaturen betrieben werden, um einen Bereich von Wellenlängen zu erzeugen, da die Abstrahlungswellenlänge in vielen Fällen empfindlich auf die Vorrichtungstemperatur reagiert.In another embodiment, the use of multiple coherent light sources may help to reduce the temporal coherence of the beam by introducing a range of wavelengths. For example, some types of diode lasers do not have a strictly specific emission wavelength. The natural dispersion of device characteristics may result in a wider effective spectrum for illumination. If desired, light devices may be intentionally selected to provide a wider range of wavelengths. Further, some light sources having the same denominations may be purposely operated at different temperatures to produce a range of wavelengths because the emission wavelength is sensitive to device temperature in many cases.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel können Interferenzeffekte durch Verwenden der Kombination einer inkohärenten Lichtquelle und einer kohärenten Lichtquelle vermindert werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann die inkohärente Lichtquelle bei niedrigeren Temperaturen als Kalibrierungslichtquelle verwendet werden. Bei niedrigeren Temperaturen hängen Durchlässigkeitsmessungen nicht derart von verschiedenen Parametern, wie etwa dem Brechungsindex und der Dicke des Substrats, ab. Relativ niedrigere Temperaturen können Temperaturen von weniger als etwa 700°C und speziell von weniger als etwa 500°C umfassen. In another embodiment, interference effects may be reduced by using the combination of an incoherent light source and a coherent light source. In this embodiment, the incoherent light source may be used at lower temperatures than the calibration light source. At lower temperatures, transmission measurements do not depend on various parameters, such as the refractive index and the thickness of the substrate. Relatively lower temperatures may include temperatures of less than about 700 ° C, and more specifically less than about 500 ° C.
Bei relativ hohen Temperaturen, wie etwa mehr als etwa 500°C, und speziell mehr als etwa 700°C, kann die Kalibrierungslichtquelle eine kohärente Lichtquelle sein. Bei höheren Temperaturen können kohärente Lichtquellen bevorzugt sein, da diese mehr Energie bei einer bestimmten Wellenlänge und eine bessere Wellenlängendefinition liefern. Die gleichen oder verschiedene Detektoren können verwendet werden, um die Durchstrahlung von den Kalibrierungslichtquellen zu erfassen. Diese Durchstrahlungsmessungen können sodann verwendet werden, um die Durchstrahlung von den Kalibrierungslichtquellen zu erfassen. Bei diesem Ausführungsbeispiel können Durchstrahlungsmessungen beispielsweise bei niedrigeren Temperaturen unter Verwendung einer inkohärenten Lichtquelle vorgenommen werden. Diese Durchstrahlungsmessungen können sodann verwendet werden, um die Temperatur des Wafers bei höheren Temperaturen in Verbindung mit Durchstrahlungsmessungen, welche unter Verwendung der kohärenten Lichtquelle vorgenommen werden, zu bestimmen.At relatively high temperatures, such as greater than about 500 ° C, and especially greater than about 700 ° C, the calibration light source may be a coherent light source. At higher temperatures, coherent light sources may be preferred because they provide more energy at a particular wavelength and better wavelength definition. The same or different detectors can be used to detect the transmission from the calibration light sources. These transmission measurements can then be used to detect the transmission from the calibration light sources. For example, in this embodiment, transmission measurements may be made at lower temperatures using an incoherent light source. These transmission measurements can then be used to determine the temperature of the wafer at higher temperatures in conjunction with transmission measurements made using the coherent light source.
Gleichgültig, ob eine kohärente oder eine inkohärente Lichtquelle verwendet wird, ist es für die meisten Anwendungen wünschenswert, daß die Energieversorgung für die Lichtquelle geeignet aufgebaut ist, um eine stabile und wiederholbare Intensität zu liefern. Obgleich die Technik der vorliegenden Erfindung selbstkalibrierend in dem Sinn ist, daß die Durchlässigkeitsmessungen, wenn der Wafer heiß ist, relativ zu einem Durchstrahlungswert vorgenommen werden, welcher erhalten wird, wenn sich der Wafer auf einer Temperatur befindet, bei welcher dessen Durchlässigkeit bekannt ist, besteht weiterhin die Möglichkeit einer Änderungstendenz der Lichtquellenintensität, während der Wafer gemäß der Kalibrationsvorschrift erwärmt wird. Diese Änderung kann dadurch vermindert werden, daß gewährleistet wird, daß die Energieversorgung für die Lichtquelle stabil ist. Optional kann ein optischer Detektor verwendet werden, um einen Teil des Lichts zu messen, welches von der Kalibrierungslichtquelle abgestrahlt wird, und daher ein Signal zum Überwachen der Lichtquelle oder zum geeigneten Regeln der Intensität davon, so daß diese während der Messungen stabil und wiederholbar ist, zu erzeugen.Regardless of whether a coherent or incoherent light source is used, it is desirable for most applications that the power supply for the light source be properly designed to provide a stable and repeatable intensity. Although the technique of the present invention is self-calibrating in the sense that the transmissivity measurements when the wafer is hot are made relative to a transmission value obtained when the wafer is at a temperature at which its permeability is known Furthermore, the possibility of a change tendency of the light source intensity, while the wafer is heated according to the calibration rule. This change can be reduced by ensuring that the power supply to the light source is stable. Optionally, an optical detector may be used to measure a portion of the light emitted by the calibration light source and therefore a signal to monitor the light source or to appropriately control the intensity thereof so that it is stable and repeatable during the measurements, to create.
Kalibrationswellenlängecalibration wavelength
Die Arbeitswellenlänge für die Durchlässigkeitsmessung sollte im Hinblick darauf ausgewählt werden, eine gute Temperaturempfindlichkeit zu liefern. Generell sollte der Wafer ausreichend transparent sein, um eine genaue Messung der durchgelassenen Infrarotsignalintensität zu ermöglichen. In den meisten Situationen erfordert dies, daß die Durchlässigkeit bei der Prüfwellenlänge größer als 10–6 ist.The working wavelength for the transmission measurement should be selected with a view to providing good temperature sensitivity. Generally, the wafer should be sufficiently transparent to allow accurate measurement of the transmitted infrared signal intensity. In most situations this requires the transmission at the test wavelength to be greater than 10 -6 .
Die Waferdurchlässigkeit sollte gleichfalls empfindlich auf die Wafertemperatur reagieren. Beispielsweise ist es wünschenswert, daß sich die Waferdurchlässigkeit nahe bei der bestimmten Kalibrationstemperatur bei einer Änderung um 1°C um mehr als 0,5% von deren Wert ändert. Idealerweise ändert sich die Durchlässigkeit bei einer Temperaturänderung von 1°C um mehr als etwa 5%.The wafer permeability should also be sensitive to the wafer temperature. For example, it is desirable that the wafer permeability change by more than 0.5% from the value thereof near the particular calibration temperature when changed by 1 ° C. Ideally, the permeability changes by more than about 5% with a temperature change of 1 ° C.
Bei einigen Anwendungen kann es vorteilhaft sein, wenn der Kalibrationswafer bei der Pyrometerwellenlänge beinahe lichtundurchlässig ist, während dieser weiterhin eine meßbare Strahlungsmenge bei der Durchlässigkeitsprüfwellenlänge durchläßt. Dies kann wünschenswert sein, damit die Kalibration einem typischen Zustand der optischen Eigenschaften eines Wafers mit Standarddicke bei der interessierenden Kalibrationstemperatur entspricht. In der Praxis ist es ausreichend, wenn der Wafer bei der Pyrometerwellenlänge eine Durchlässigkeit von weniger als etwa 0,01 aufweist, während die Durchlässigkeit bei der Wellenlänge der Infrarotdurchlässigkeitsprüfung größer als etwa 10–6 ist. Diese Bedingung kann häufig erfüllt werden, da der Absorptionskoeffizient von Silizium typischerweise einen minimalen Wert im nahen Infrarotbereich aufweist, so daß die Durchlässigkeitsmessung in diesem Wellenlängenbereich unter Bedingungen, wobei der Wafer bei anderen Wellenlängen lichtundurchlässig ist, durchgeführt werden kann. Dieses Konzept kann speziell für eine Kalibration bei Temperaturen über 800°C nützlich sein, wobei Wafer mit Standarddicke bei optischen und infraroten Wellenlängen gewöhnlich stark lichtundurchlässig sind.For some applications, it may be advantageous if the calibration wafer is nearly opaque at the pyrometer wavelength while still transmitting a measurable amount of radiation at the transmission test wavelength. This may be desirable for the calibration to correspond to a typical state of optical properties of a standard thickness wafer at the calibration temperature of interest. In practice, it is sufficient if the wafer at the pyrometer wavelength has a transmittance of less than about 0.01, while the transmittance at the wavelength of the infrared transmittance test is greater than about 10 -6 . This condition can often be satisfied because the absorption coefficient of silicon typically has a minimum value in the near infrared range, so that the transmission measurement in this wavelength range can be performed under conditions where the wafer is opaque at other wavelengths. This concept may be especially useful for calibration at temperatures above 800 ° C, with standard thickness wafers typically being highly opaque at optical and infrared wavelengths.
Bei anderen Anwendungen kann es wünschenswert sein, die Wellenlänge der Messung mit einer höheren Genauigkeit als der des Nennwerts, welcher für eine Emissionsquelle oder einen optischen Filter angegeben ist, zu kennen. In diesem Fall kann das Spektrum der Emissionsquelle bzw. die Durchlässigkeit des optischen Filters gemessen werden, so daß die genaue Messungswellenlänge bestimmt wird. Dieser Wert kann sodann verwendet werden, um die Genauigkeit bzw. Wiederholbarkeit von Messungen zu verbessern. Beispielsweise kann es, wenn das Meßsystem in mehreren Behandlungssystemen verwendet wird, wichtig sein, eine Korrektur für die Wirkung von Änderungen der Messungswellenlängen zwischen den Systemen vorzunehmen, um die einheitlichsten Kalibrationen bei verschiedenen Systemen zu erzielen. Eine Weise, dies zu verwirklichen, ist es, einen Algorithmus zu verwenden, welcher die Wellenlängeneingabe und Wellenlängenänderungen berücksichtigt, wenn ein durchgelassenes Lichtsignal in eine abgeleitete Temperatur umgewandelt wird.In other applications, it may be desirable to know the wavelength of the measurement with a higher accuracy than the nominal value given for an emission source or an optical filter. In this case, the spectrum of the emission source or the permeability of the optical filter are measured, so that the exact measurement wavelength is determined. This value can then be used to improve the accuracy or repeatability of measurements. For example, when the measurement system is used in multiple treatment systems, it may be important to correct for the effect of changes in measurement wavelengths between the systems to achieve the most consistent calibrations in various systems. One way to accomplish this is to use an algorithm that accounts for wavelength input and wavelength changes when a transmitted light signal is converted to a derived temperature.
Bei einem Ausführungsbeispiel kann, wie oben erwähnt, das System der vorliegenden Erfindung derart konfiguriert werden, daß Temperaturmessungen in einem Bereich von Wellenlängen anstatt bei einer einzelnen Wellenlänge durchgeführt werden. Das Messen der Temperatur bei verschiedenen Wellenlängen kann verschiedene Vorteile bieten. Beispielsweise ermöglicht eine Messung eines Durchstrahlungsspektrums, daß die Wafertemperatur bestimmt wird, ohne den Normierungsschritt des Messens der durchgelassenen Intensität bei einer Temperatur, bei welcher die Waferdurchlässigkeit bekannt ist, durchführen zu müssen, wie etwa, wenn der Wafer kühl ist. Es ist möglich, die Temperatur zu bestimmen, da die Form des Absorptionsspektrums bestimmt und verwendet werden kann, um die Wafertemperatur zu bestimmen. In dieser Weise ist es nicht notwendig, eine Temperaturmessung vorzunehmen, wenn die Durchlässigkeit keine stark temperaturabhängige Funktion ist.In one embodiment, as noted above, the system of the present invention may be configured to perform temperature measurements in a range of wavelengths rather than a single wavelength. Measuring the temperature at different wavelengths can offer several advantages. For example, measurement of a transmission spectrum enables the wafer temperature to be determined without having to perform the normalization step of measuring the transmitted intensity at a temperature at which the wafer permeability is known, such as when the wafer is cool. It is possible to determine the temperature since the shape of the absorption spectrum can be determined and used to determine the wafer temperature. In this way it is not necessary to measure the temperature if the permeability is not a strongly temperature dependent function.
Genauer kann durch Messen der Durchlässigkeit für mindestens zwei Wellenlängen eine relative Durchlässigkeit bei diesen Wellenlängen definiert werden. Das breitere Spektrum (das bedeutet, mit mehreren Wellenlängen) kann aufgenommen und an ein Modell angepaßt werden, wobei die Temperatur als Parameter für die Anpassung verwendet wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel können Vorteile und eine höhere Flexibilität gegenüber Schwankungen der Waferdicke oder unerwartete Änderungen anderer Parameter, wie etwa Beschichtungen etc., vorliegen.More specifically, by measuring the transmittance for at least two wavelengths, a relative transmission at these wavelengths can be defined. The broader spectrum (that is, with multiple wavelengths) can be picked up and fitted to a model using temperature as a parameter for fitting. In this embodiment, there may be advantages and greater flexibility against variations in wafer thickness or unexpected changes in other parameters such as coatings, etc.
Diese Umstände können ferner nützlich sein, wenn versucht wird, ein Pyrometer für einen Betrieb bei sehr niedriger Temperatur, wie etwa weniger als 200°C, zu kalibrieren. Unter diesen Umständen muß sich die Normierungstemperatur typischerweise sehr nahe bei der Raumtemperatur befinden, um zu verhindern, daß die Durchlässigkeit empfindlich auf den genauen Wert der Normierungstemperatur reagiert. Dies ist insbesondere bei Anwendungen nützlich, bei welchen die Wärmebehandlungsumgebung bereits warm ist, wenn der Wafer hinzugefügt wird, so daß es sehr erschwert wird, eine Temperaturmessung unterhalb von etwa 30°C vorzunehmen.These circumstances may also be useful when attempting to calibrate a pyrometer for very low temperature operation, such as less than 200 ° C. Under these circumstances, the normalization temperature typically must be very close to room temperature to prevent the permeability from being sensitive to the exact value of the normalization temperature. This is particularly useful in applications where the heat treatment environment is already warm when the wafer is added, making it very difficult to measure temperatures below about 30 ° C.
Spektralmessungen, welche in einem Bereich von Wellenlängen vorgenommen werden, neigen ferner dazu, die Temperaturmessung weniger empfindlich gegenüber einer Änderungstendenz der Lichtquellenintensität oder der Detektorkenngrößen, optischer Störstrahlung und Rauschen zu machen. Spektralmessungen können unter Verwendung einer inkohärenten Lichtquelle vorgenommen werden, welche Licht bei verschiedenen Wellenlängen abstrahlt, oder können durch Verwenden mehrerer Lichtquellen erfolgen, wie etwa mehreren inkohärenten Quellen oder mehreren kohärenten Quellen. Die Messung kann zur gleichen Zeit oder zu verschiedenen Zeiten, etwa nacheinander, bei verschiedenen Quellen vorgenommen werden.Spectral measurements made in a range of wavelengths also tend to make the temperature measurement less sensitive to a change tendency of the light source intensity or detector characteristics, optical noise and noise. Spectral measurements can be made using an incoherent light source that emits light at different wavelengths, or can be done by using multiple light sources, such as multiple incoherent sources or multiple coherent sources. The measurement can be made at the same time or at different times, say one after the other, at different sources.
Wie in
Vermindern der Wirkungen von StreustrahlungReducing the effects of scattered radiation
Wie oben beschrieben, sollten, um die Genauigkeit zu verbessern, die Messung und das System der vorliegenden Erfindung in der Lage sein, zwischen dem durchgelassenen Lichtsignal und Signalen, welche durch Streustrahlungsquellen entstehen können, zu unterscheiden. Bei dem Ausführungsbeispiel, welches in
Generell sollte die Kalibrierungslichtquelle
Bei einem Ausführungsbeispiel kann die optische Beleuchtungseinrichtung ferner geeignet abgestimmt werden, um die Menge des durchgelassenen Lichts zu maximieren, welche den Lichtdetektor
Außer der Verwendung einer optischen Beleuchtungseinrichtung zum Verstärken der Durchstrahlung können optische Erfassungseinrichtungen ferner geeignet abgestimmt werden, um Streulicht zu minimieren. Beispielsweise können optische Erfassungseinrichtungen verwendet werden, welche lediglich den Bereich des Wafers beobachten, welcher beleuchtet wird. Die optischen Erfassungseinrichtungen können Winkelaufnahmekennwerte aufweisen, welche eine Aufnahme von Licht begünstigen, welches von der Lichtquelle anstatt von dem Wafer ausgeht. Beispielsweise neigt die Schwarzkörperstrahlung, welche durch den Wafer abgestrahlt wird, dazu, in sämtlichen Richtungen von den Waferoberflächen auszugehen. Durch geeignetes Einschränken der Winkelaufnahmekennwerte optischer Erfassungseinrichtungen, so daß diese dazu neigen, Licht aufzunehmen, welches in der Richtung läuft, welche durch die optische Lichtquelleneinrichtung definiert ist, kann das Verhältnis von emittierter Strahlung zu durchgelassenem Licht verkleinert werden. Ähnliche Überlegungen können auf die Strahlung des Streulichts von den Heizlampen
Außer optischen Beleuchtungseinrichtungen und optischen Erfassungseinrichtungen kann das System der vorliegenden Erfindung ferner einen optischen Filter umfassen, welcher Strahlung außerhalb eines Wellenlängenbereichs um die Wellenlänge, welche für die Durchlässigkeitsmessung verwendet wird, abschirmt. Beispielsweise kann dieser Wellenlängenbereich durch einen Interferenzfilter definiert werden.In addition to optical illuminators and optical detectors, the system of the present invention may further comprise an optical filter which shields radiation outside of a wavelength range about the wavelength used for the transmission measurement. For example, this wavelength range can be defined by an interference filter.
Insbesondere dann, wenn eine inkohärente Lichtquelle, wie etwa eine Wolfram-Halogenlampe, als Kalibrierungslichtquelle
Bei einem Ausführungsbeispiel kann die Filterabschirmung weniger als etwa 10–6 betragen. Dieser Abschirmungstyp kann dadurch erreicht werden, daß zwei Interferenzfilter in einer derartigen Weise kombiniert werden, daß deren kombinierte Abschirmung den erwünschten Wert erreicht. In einigen Fällen kann es praktisch sein, einen der Filter vor die Abstrahlung der Lampenquelle zu stellen, um den Wellenlängenbereich einzuschränken, welcher von der Lampe abgestrahlt wird.In one embodiment, the filter shield may be less than about 10 -6 . This type of shielding can be achieved by combining two interference filters in such a way that their combined shielding achieves the desired value. In some cases it can be convenient to put one of the filters before the radiation of the lamp source to limit the wavelength range which is emitted by the lamp.
Wenn die Kalibrierungslichtquelle
Selbst wenn eine inkohärente Lichtquelle verwendet wird, kann ein Filter unerwünscht sein. Alternativ kann ein Mehrbereichsfilter verwendet werden. Das Arbeiten ohne Schmalbereichsfilter bzw. mit einem Mehrbereichsfilter kann unter manchen Umständen verschiedene Vorteile bieten. Beispielsweise kann, wenn ohne Filter gearbeitet wird, ein Detektor verwendet werden, um Strahlung von verschiedenen Lichtquellen, welche Strahlung bei verschiedenen Wellenlängen abstrahlen, ohne Notwendigkeit zum Wechseln von Filtern zu erfassen.Even if an incoherent light source is used, a filter may be undesirable. Alternatively, a multirange filter can be used. Working without a narrow range filter or with a multi-range filter can offer several advantages in some circumstances. For example, when operating without filters, a detector can be used to detect radiation from different light sources emitting radiation at different wavelengths without the need to change filters.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann die Kalibrierungslichtquelle
Kalibrationswafercalibration wafers
Der Kalibrationswafer, welcher in dem System der vorliegenden Erfindung verwendet wird, wird derart ausgewählt, daß die Lichtdurchlässigkeit durch den Wafer bei der Wellenlänge, welche durch den Lichtdetektor
Bei einem Ausführungsbeispiel kann der Kalibrationswafer ein einfacher Siliziumwafer sein. Der Wafer kann ein geringfügig dotierter Siliziumwafer mit einem spezifischen Widerstand von mehr als etwa 0,5 Ωcm sein. Bei diesem Ausführungsbeispiel können Wafer mit einer Standarddicke verwendet werden. Gegenwärtig betragen Standard-Waferdicken 725 Mikrometer für einen 200mm-Wafer und 775 Mikrometer für einen 300mm-Wafer. Für die meisten Anwendungen wird der Wafer auf beiden Seiten poliert, um die Wiederholbarkeit der Kalibrationsnorm zu verbessern.In one embodiment, the calibration wafer may be a simple silicon wafer. The wafer may be a slightly doped silicon wafer having a resistivity greater than about 0.5 Ωcm. In this embodiment, wafers with a standard thickness can be used. Currently, standard wafer thicknesses are 725 microns for a 200mm wafer and 775 microns for a 300mm wafer. For most applications, the wafer is polished on both sides to improve the repeatability of the calibration standard.
Die Berechnung der Temperatur des Kalibrationswafers hängt von der Wellenlänge des Lichts, welches durch den Wafer durchgelassen wird, und der Dicke des Wafers ab. Im Hinblick darauf sollte die Dicke des Wafers mit einiger Genauigkeit bekannt sein. Bei einem Ausführungsbeispiel kann es wünschenswert sein, eine Korrektur für Änderungen der Waferdicken vorzunehmen, welche bei Temperaturmessungen verwendet werden. Beispielsweise kann die Waferdicke gemessen werden, und diese Daten können in den Algorithmus eingegeben werden, welcher verwendet wird, um die Wafertemperatur zu bestimmen. Alternativ kann das System der vorliegenden Erfindung mit einem Instrument versehen werden, welches die Waferdicke mißt und diese Information zur Verwendung bei Temperaturmessungen automatisch beispielsweise zu der Steuerung
Um die Reflexion von Licht, welches von der Kalibrierungslichtquelle
In den
Wenn reflexionsdämpfende Beschichtungen auf den Wafer aufgetragen werden, kann die Reflexion von Licht bei der interessierenden Infrarotwellenlänge erheblich vermindert werden, und Interferenzeffekte werden unterdrückt. Die reflexionsdämpfende Beschichtung (bzw. Beschichtungen) bietet ferner einen Vorteil im Hinblick darauf, daß diese die Menge des Lichts, welches durch den Wafer durchgelassen wird, vergrößert, wobei dies die Genauigkeit der Durchlässigkeitsmessungen verbessert. When reflection-damping coatings are applied to the wafer, the reflection of light at the infrared wavelength of interest can be significantly reduced, and interference effects are suppressed. The reflection-damping coating (or coatings) also has an advantage in that it increases the amount of light transmitted through the wafer, thereby improving the accuracy of the transmission measurements.
Reflexionsdämpfende Beschichtungen können jedoch das Abstrahlungsvermögen des Wafers bei der Pyrometerwellenlänge des Pyrometers, welches kalibriert wird, beeinflussen. Bei Kalibrationen, welche bei hohen Temperaturen durchgeführt werden, bei welchen der Wafer bei der Pyrometerwellenlänge gewöhnlich lichtundurchlässig ist, kann es wünschenswert sein, lediglich eine Oberfläche des Wafers zu beschichten, wie in
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gemäß Darstellung in
Generell kann jede geeignete reflexionsdämpfende Beschichtung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Derartige Beschichtungen können beispielsweise aus Siliziumdioxid, Siliziumnitrid oder einer Kombination von beidem hergestellt werden. Derartige Materialien können ferner verwendet werden, um Beschichtungen auszubilden, welche ein bestimmtes Abstrahlungsvermögen aufweisen. Siliziumfilme können gleichfalls zu diesem Zweck verwendet werden. Siliziumfilme weisen einen großen Brechungsindex auf, welcher bei manchen Anwendungen nützlich sein kann. Die Beschichtungen
Wenn vorhanden, kann die Beschichtung
Außer dem möglichen Verbessern der Genauigkeit von Temperaturmessungen, welche gemäß der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden, kann die Verwendung von reflexionsdämpfenden Beschichtungen und anderen Beschichtungstypen weitere Vorteile bieten. Beispielsweise ist es durch Wählen der optischen Eigenschaften der Beschichtungen auf dem Kalibrationswafer möglich, verschiedene Aspekte der Arbeitsweise des Temperaturmeßsystems zu prüfen und eine Diagnose der Natur des Problems zu liefern. Beispielsweise kann ein Test, welcher prüft, ob die optischen und elektrischen Pyrometereinrichtungen einwandfrei arbeiten, eine Waferrückseitenbeschichtung verwenden, welche bei den Pyrometerwellenlängen „schwarz“ ist, so daß das Signal bei dem Pyrometer nicht durch andere Aspekte der optischen Systemeinrichtungen beeinflußt wird, etwa durch Einflüsse, welche durch mehrfache Reflexionen zwischen dem Wafer und den Kammerwänden entstehen. Dies ist insbesondere nützlich, wenn das System eine Reflexionsverstärkung des Waferabstrahlungsvermögens verwendet, um zur Unabhängigkeit von dem Abstrahlungsvermögen beizutragen. In diesen Systemen spielt das Reflexionsvermögen des Hilfsreflektors, welcher zur Verstärkung des Abstrahlungsvermögens verwendet wird, eine Schlüsselrolle für die Arbeitsweise des Systems. Ein Test, welcher enthüllen kann, ob sich das Reflexionsvermögen der reflektierenden Platte verschlechtert hat, verwendet eine Beschichtung, welche bei der Pyrometerwellenlänge stark reflektierend ist, so daß mehrfache Reflexionen an der reflektierenden Platte auftreten. Diese Art eines Wafers kann ferner zum Prüfen, ob Korrektursysteme für das Abstrahlungsvermögen in jeder Art eines Systems funktionieren, nützlich sein. Diese Testtypen können verschiedene Problemtypen unterscheiden, ohne zu erfordern, daß die Kammer zur Begutachtung geöffnet wird.In addition to possibly improving the accuracy of temperature measurements made in accordance with the present invention, the use of anti-reflective coatings and other types of coatings may offer further advantages. For example, by choosing the optical properties of the coatings on the calibration wafer, it is possible to test various aspects of the operation of the temperature measurement system and to provide a diagnosis of the nature of the problem. For example, a test that checks whether the optical and electrical pyrometer devices are functioning properly may use a wafer back coating which is "black" at the pyrometer wavelengths so that the signal at the pyrometer will not be affected by other aspects of the optical system devices, such as by influences which are caused by multiple reflections between the wafer and the chamber walls. This is particularly useful when the system uses a reflection enhancement of the wafer emissivity to contribute to the independence of the emissivity. In these systems, the reflectivity of the auxiliary reflector, which is used to enhance the radiating power, plays a key role in the operation of the system. A test which can reveal if the reflectivity of the reflective plate has deteriorated uses a coating which is highly reflective at the pyrometer wavelength so that multiple reflections occur on the reflective plate. This type of wafer may also be used to check for correction systems for the radiating power in any kind of system will work, be useful. These test types can differentiate between different types of problems without requiring that the chamber be opened for inspection.
Beschichtungen, wie oben beschrieben, können ferner dazu beitragen, den Effekt fortschreitender wärmebedingter Verschlechterung der optischen Eigenschaften des Wafers aufgrund von Oxidation und Oberflächenaufrauhung zu vermindern. Infolgedessen können mehrere Wärmezyklen ohne Verschlechterung auf den Kalibrationswafer angewandt werden. Beispielsweise kann eine dünne Oxidschicht, wie etwa mit einer Dicke von weiniger als 30 Nanometer, die Siliziumoberfläche vor einer Heißätzung schützen, welche von einer aktiven Oxidation durch niedrige Konzentrationen von Sauerstoff und Wasserdampf in dem Umgebungsgas herrührt. Ein dünner Nitridfilm kann einem ähnlichen Zweck dienen. Die Filme können als obere Schichten in den Beschichtungsreihen, welche für reflexionsdämpfende Beschichtungen oder zum Ändern des spektralen Abstrahlungsvermögens, wie oben beschrieben, aufgenommen werden. Ferner kann durch Wählen von Oxidfilmen, welche weniger als etwa 30 Nanometer dick sind, der Einfluß des Films auf das Abstrahlungsvermögen des Wafers minimiert werden.Coatings as described above can further help to reduce the effect of progressive heat degradation of the optical properties of the wafer due to oxidation and surface roughening. As a result, multiple heat cycles can be applied to the calibration wafer without degradation. For example, a thin oxide layer, such as a thickness of less than 30 nanometers, may protect the silicon surface from hot etching resulting from active oxidation by low concentrations of oxygen and water vapor in the ambient gas. A thin nitride film can serve a similar purpose. The films can be included as top layers in the series of coatings used for anti-reflection coatings or for changing the spectral emissivity as described above. Furthermore, by choosing oxide films that are less than about 30 nanometers thick, the influence of the film on the radiating power of the wafer can be minimized.
Ferner sei bemerkt, daß außer dem Verwenden von Siliziumwafern als Kalibrationswafer auch verschiedene andere Typen von Wafern verwendet werden können. Generell kann der Kalibrationswafer aus einem beliebigen geeigneten Material hergestellt werden, welches eine temperaturabhängige Durchlässigkeit oder ein temperaturabhängiges Reflexionsspektrum aufweist. Beispielsweise kann der Kalibrationswafer auch aus Germanium, Siliziumkarbid, Galliumarsenid, Aluminiumarsenid, Indiumphosphid, Galliumphosphid, Galliumnitrid und Legierungen davon hergestellt werden. Tatsächlich können einige der obigen Materialien nützlich sein, um den Temperaturbereich für eine Durchstrahlung zu erweitern.It should also be appreciated that other than using silicon wafers as calibration wafers, various other types of wafers may be used. In general, the calibration wafer can be made of any suitable material having a temperature-dependent transmission or a temperature-dependent reflection spectrum. For example, the calibration wafer may also be made of germanium, silicon carbide, gallium arsenide, aluminum arsenide, indium phosphide, gallium phosphide, gallium nitride, and alloys thereof. In fact, some of the above materials may be useful to extend the temperature range for radiation.
Im Hinblick auf eine Verwendung von Silizium für den Kalibrationswafer ist es bekannt, daß Silizium bei Temperaturen von weniger als etwa 850°C für Wafer mit Standarddicke gute Temperatur-Durchlässigkeits-Eigenschaften aufweist. Wie oben beschrieben, beginnt Silizium bei Temperaturen über 850°C jedoch, mehr Lichtenergie zu absorbieren, wodurch Temperaturmessungen erschwert werden. Bei einem Ausführungsbeispiel können dünnere Wafer verwendet werden, um Temperaturmessungen gemäß der vorliegenden Erfindung auf höhere Temperaturen zu erweitern. Beispielsweise beträgt die vorhergesagte innere Durchlässigkeit bei einer Wellenlänge von 1,5 Mikrometer für einen 250-Mikrometer-Wafer bei 950°C 0,012, wobei dies über 300 000 mal größer als die Durchlässigkeit für einen Wafer mit einer herkömmlichen Dicke von 725 Mikrometer ist. Durch Verwenden sehr dünner Wafer kann die Infrarotdurchlässigkeit auf höhere Temperaturen erweitert werden. Ferner beeinflußt das Verwenden dünner Wafer Temperaturmessungen, welche durch das Pyrometer vorgenommen werden, nicht, solange der Wafer für Strahlung bei der Wellenlänge des Pyrometers lichtundurchlässig bleibt.With respect to using silicon for the calibration wafer, it is known that silicon has good temperature transmission properties at temperatures less than about 850 ° C for standard thickness wafers. However, as described above, at temperatures above 850 ° C, silicon begins to absorb more light energy, making temperature measurements more difficult. In one embodiment, thinner wafers may be used to extend temperature measurements in accordance with the present invention to higher temperatures. For example, the predicted internal transmission at 1.5 micron wavelength for a 250 micron wafer at 950 ° C is 0.012, which is over 300,000 times greater than the transmission for a conventional 725 micron thickness wafer. By using very thin wafers, the infrared transmittance can be extended to higher temperatures. Furthermore, using thin wafers does not affect temperature measurements made by the pyrometer as long as the wafer remains opaque to radiation at the wavelength of the pyrometer.
Es können jedoch verschiedene praktische Probleme entstehen, wenn relativ dünne Wafer verwendet werden. Beispielsweise können sich die Wafer bei hohen Temperaturen unter ihrem Eigengewicht durchbiegen und sogar bleibend verformt werden. Die
Beispielsweise ist in
Das Siliziumelement
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel kann eine Haltekappe über dem Wafer angeordnet werden, um das Siliziumelement in Position zu halten. Das Halteglied kann aus Silizium, Siliziumkarbid, Siliziumdioxid (Quarz) oder Saphir hergestellt sein. Wenn die Haltekappe nicht transparent ist, kann es bei einigen Anwendungen notwendig sein, ein Loch bzw. einen Durchgang durch die Haltekappe anzubringen, welches bzw. welcher in Ausrichtung mit dem Siliziumelement angeordnet ist, um genaue Durchlässigkeitsmessungen vorzunehmen. Wird jedoch ein transparentes Material verwendet, wie etwa Quarz oder Saphir, so wird eine derartige Öffnung nicht benötigt. In an alternative embodiment, a retaining cap may be disposed over the wafer to hold the silicon element in position. The holding member may be made of silicon, silicon carbide, silicon dioxide (quartz) or sapphire. If the retainer cap is not transparent, in some applications it may be necessary to place a hole or passageway through the retainer cap which is disposed in alignment with the silicon element to make accurate transmission measurements. However, if a transparent material is used, such as quartz or sapphire, such an opening is not needed.
Bei einem Ausführungsbeispiel kann das Siliziumelement
Wie in
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel kann, anstatt ein Loch in dem Kalibrationswafer
Wenn der Kalibrationswafer dünne Abschnitte umfaßt, besteht die Möglichkeit, daß sich beim Erwärmen Temperaturgefälle in dem Wafer entwickeln. Um die Wirkung von Unterschieden der Wärmestrahlungseigenschaften zwischen dem dünnen Abschnitt und dem Rest des Wafers zu vermindern, kann der Wafer eine Beschichtung umfassen. Die Beschichtung kann beispielsweise eine einzige Schicht oder eine mehrlagige Beschichtung sein. Die Beschichtung kann aus Materialien wie Siliziumdioxid, Silizium, Polysilizium und/oder Siliziumnitrid hergestellt sein. Die Beschichtung kann darauf abgestimmt sein, das Abstrahlungsvermögen und das Absorptionsvermögen der dünnen und dicken Abschnitte besser anzupassen. Bei einem Ausführungsbeispiel kann die Beschichtung aus einer der oben beschriebenen reflexionsdämpfenden Beschichtungen hergestellt sein.When the calibration wafer comprises thin portions, there is a possibility that temperature gradients develop in the wafer upon heating. To reduce the effect of differences in thermal radiation properties between the thin portion and the remainder of the wafer, the wafer may include a coating. The coating may be, for example, a single layer or a multi-layer coating. The coating may be made of materials such as silicon dioxide, silicon, polysilicon and / or silicon nitride. The coating may be tuned to better match the radiation and absorbency of the thin and thick sections. In one embodiment, the coating may be made of any of the reflection-damping coatings described above.
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel kann der Kalibrationswafer ein Füllelement umfassen, welches neben dem dünnen Abschnitt angeordnet ist, um die thermisch wirksamen Massenunterschiede zu vermindern. Das Füllelement kann beispielsweise aus Quarz oder Aluminiumoxid, wie etwa Saphir, hergestellt sein.In an alternative embodiment, the calibration wafer may comprise a filler disposed adjacent the thin section to reduce the thermal mass differences. The filling element may be made, for example, of quartz or alumina, such as sapphire.
Weitere Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäß hergestellten Kalibrationswafers
Bei den Ausführungsbeispielen, welche in den
Wenn die Ausführungsbeispiele, welche in den
Es sei bemerkt, daß, wenn ein Durchstrahlungsbereich
Wenn der Kalibrationswafer aufgenommen wird, welcher in
In
Die Siliziumschicht
In
In
Bei den Ausführungsbeispielen, welche in den
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann der Kalibrationswafer lichtundurchlässige Bereiche, welche aus einem im wesentlichen lichtundurchlässigen Material hergestellt sind, und durchlässige Bereiche, welche beispielsweise aus Silizium hergestellt sind, umfassen. Dieser Typ eines Kalibrationswafers kann gut zur Verwendung bei Kalibrationen bei niedriger Temperatur geeignet sein. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann das Pyrometer, welches kalibriert wird, geeignet angeordnet werden, um Wärmestrahlung zu erfassen, welche durch den Wafer in den lichtundurchlässigen Bereichen abgestrahlt wird. Die Durchlässigkeitsmessungen können jedoch in den durchlässigen Bereichen vorgenommen werden. In another embodiment of the present invention, the calibration wafer may comprise opaque areas made of a substantially opaque material and transmissive areas made of silicon, for example. This type of calibration wafer may be well suited for use in low temperature calibrations. In this embodiment, the pyrometer that is calibrated may be suitably arranged to detect heat radiation emitted by the wafer in the opaque regions. However, the permeability measurements can be made in the permeable areas.
Im wesentlichen lichtundurchlässige Materialien, welche verwendet werden können, um den Wafer zu konstruieren, umfassen Silizium, welches mit einem Material wie Bor, Arsen oder Phosphor dotiert ist. Weitere Beispiele im wesentlichen lichtundurchlässiger Materialien umfassen Metallfilme, wie etwa Titanfilme, Kobaltfilme, Nickelfilme und Wolframfilme, und Filme, welche aus Metallsiliciden, wie etwa Titansilicid, Kobaltsilicid, Nickelsilicid und Wolframsilicid hergestellt sind. Ferner können einige weitere leitfähige Materialien, wie etwa Titannitrid, verwendet werden.Substantially opaque materials that can be used to construct the wafer include silicon doped with a material such as boron, arsenic, or phosphorus. Other examples of substantially opaque materials include metal films such as titanium films, cobalt films, nickel films, and tungsten films, and films made from metal silicides such as titanium silicide, cobalt silicide, nickel silicide, and tungsten silicide. Further, some other conductive materials such as titanium nitride may be used.
Wie oben erwähnt, kann es bei einigen Anwendungen wünschenswert sein, das Verhältnis zwischen den dicken und den dünnen Bereichen der Durchstrahlungsbereiche
Bei einem Ausführungsbeispiel kann der Kalibrationswafer hauptsächlich aus einem Material hergestellt sein, welches bei der Normierungstemperatur lichtundurchlässig ist. Der Wafer kann dann eine dünne Beschichtung aus Silizium umfassen, ähnlich dem Wafer, welcher in
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung können verschiedene Kalibrationswafer, welche aus verschiedenen Materialien hergestellt sind, verwendet werden. Das Verwenden verschiedener Materialien kann es ermöglichen, mehr Messungen in einem breiteren Temperaturbereich vorzunehmen. Die anderen Materialien, welche verwendet werden können, umfassen Siliziumkarbid, Aluminiumnitrid, Galliumnitrid oder Galliumphosphid. Insbesondere kann ein Material zur Konstruktion des Kalibrationswafers verwendet werden, welches für die Infrarotdurchstrahlungswellenlänge transparent ist, bei der Pyrometerwellenlänge jedoch lichtundurchlässig ist.In another embodiment of the present invention, various calibration wafers made of different materials may be used. Using different materials may allow more measurements to be made over a wider temperature range. The other materials that may be used include silicon carbide, aluminum nitride, gallium nitride or gallium phosphide. In particular, a material may be used to construct the calibration wafer, which is transparent to the infrared transmission wavelength but opaque to the pyrometer wavelength.
Zu Darstellungszwecken ist unten eine Tabelle dargestellt, welche einige praktische Temperaturbereiche bei drei vorgeschlagenen Wellenlängen und drei vorgeschlagenen Waferdicken auflistet. Bei diesem Ausführungsbeispiel bedeutet die Überschrift „T niedrig“ eine praktische niedrigere Temperatur in dem Bereich für eine beliebige gegebene Kombination von Wellenlänge und Dicke, und die Überschrift „T hoch“ bedeutet die obere Temperaturgrenze für die gleiche Kombination. Die untere Temperaturgrenze wurde bei diesem Ausführungsbeispiel durch Vermindern der Temperaturempfindlichkeit festgelegt. Genauer bedeutet die untere Grenze die Temperatur, bei welcher sich das Lichtsignal nicht mehr um mindestens 0,1% von dessen Wert pro Änderung um 1°C (bezeichnet als sens(%/°C)); ändert. Demgegenüber wurde die obere Grenze bei einem Punkt festgelegt, bei welchem der Wafer sehr lichtundurchlässig wurde. Bei diesem Ausführungsbeispiel befand sich der hohe Temperaturbereich bei einem Punkt, bei welchem der Wafer Lichtenergie nicht mehr mit einem Durchlässigkeitsverhältnis von 10–8 (1 Teil von 100 000 000) durchließ. In der Tabelle ist dies durch „int trans“ gekennzeichnet. Die Wellenlängen 1310 nm und 1550 nm wurden gewählt, da diese für handelsübliche Lichtquellen günstig sind. Die Wellenlänge von 1200 nm war eine willkürliche Wahl.
Kalibrationsverfahrencalibration
Im folgenden werden verschiedene Verfahren zum Ausführen des Ablaufs der vorliegenden Erfindung erörtert. Bei einem Ausführungsbeispiel wird beispielsweise ein ausgewählter Kalibrationswafer in die Wärmebehandlungskammer eingelegt. Sodann wird eine Kalibrationsvorschrift ausgeführt. Die Vorschrift bewirkt, daß der Wafer in einem vorbestimmten Zyklus zeitlicher Temperaturregelung erwärmt wird, während die erforderlichen Daten aufgenommen werden. Ein Algorithmus gemäß obiger Beschreibung interpretiert die Durchstrahlungsdaten im Hinblick auf die Wafertemperatur und berechnet Parameter, welche zur Korrektur des Pyrometersystems verwendet werden, so daß die Temperaturen, welche aus dem Pyrometersystem abgeleitet werden, zu denen passen, welche aus dem Infrarotdurchstrahlungssystem abgeleitet werden. Selbstverständlich kann das System außer für Pyrometer auch zum Kalibrieren anderer Temperaturmeßvorrichtungen verwendet werden.In the following, various methods for carrying out the operation of the present invention will be discussed. For example, in one embodiment, a selected calibration wafer is placed in the heat treatment chamber. Then a calibration procedure is carried out. The prescription causes the wafer to be heated in a predetermined cycle of temporal temperature control while the required data is being acquired. An algorithm as described above interprets the transmission data with respect to wafer temperature and calculates parameters used to correct the pyrometer system so that the temperatures derived from the pyrometer system match those derived from the infrared transmission system. Of course, the system can be used other than for pyrometers for calibrating other temperature measuring devices.
Eine typische Vorschrift kann einen Erwärmungszyklus oder mehrere Erwärmungszyklen umfassen, wobei der Wafer auf eine gegebene Temperatur erwärmt wird, welche durch das Pyrometersystem bestimmt ist, und dort für eine feste Zeitperiode gehalten wird, während Daten aufgenommen werden, bevor dieser auf eine zweite Temperatur erwärmt wird, und so weiter. Die Vorschrift deckt den Temperaturbereich ab, für welchen kalibriert werden soll. Die Vorschrift kann einen Teil für eine Temperatur umfassen, bei welcher die Durchlässigkeit des Wafers bekannt ist und bei welcher diese keine stark temperaturabhängige Funktion ist. Dieser Teil der Vorschrift ermöglicht es, daß das Infrarotsystem das Durchstrahlungssignal aufnimmt, welches verwendet wird, um die Signale zu normieren, so daß die Wirkungen von Änderungen der optischen Einrichtungen des Infrarotdurchlässigkeitsmeßsystems eliminiert werden können.A typical protocol may include a heating cycle or multiple heating cycles wherein the wafer is heated to a given temperature determined by the pyrometer system and held there for a fixed period of time while data is being taken before being heated to a second temperature , and so on. The regulation covers the temperature range for which calibration is to be carried out. The protocol may include a portion for a temperature at which the permeability of the wafer is known and in which it is not a highly temperature dependent function. This part of the regulation allows the infrared system to receive the transmission signal which is used to normalize the signals so that the effects of changes in the optical devices of the infrared transmission measuring system can be eliminated.
Wenn eine kohärente Lichtquelle verwendet wird, kann dieser Teil der Vorschrift ferner eine langsame Temperaturerhöhung bzw. -schwankung umfassen, welche mit bedeutenden Änderungen der optischen Weglängen durch den Wafer verbunden ist. Diese Änderungen ändern die Bedingungen für optische Interferenz zwischen den Lichtstrahlen, welche an der oberen und der unteren Oberfläche des Wafers reflektiert werden und führen daher zu einem schwankenden Durchstrahlungssignal. Das Datenaufnahmesystem kann diese Durchstrahlungsdaten sammeln und sodann zeitlich mitteln, so daß die Wirkung der Schwankungen vermindert wird. Dieser Ansatz kann für Stufen der Vorschrift nützlich sein, welche unter Bedingungen durchgeführt werden, bei welchen die Waferdurchlässigkeit hoch genug ist, daß mehrfache Reflexionen in dem Wafer einen Faktor bedeuten.Further, if a coherent light source is used, that portion of the protocol may include a slow temperature increase associated with significant changes in the optical path lengths through the wafer. These changes change the conditions for optical interference between the light beams which are reflected at the upper and lower surfaces of the wafer and therefore result in a fluctuating transmission signal. The data acquisition system can collect this transmission data and then time average, so that the effect of the fluctuations is reduced. This approach may be useful for stages of the protocol which are performed under conditions where the wafer permeability is high enough that multiple reflections in the wafer are a factor.
Ein alternativer Typ einer Vorschrift ist es, Daten während einer Erwärmungs- und/oder Abkühlungsvorschrift dynamisch zu sammeln. In diesem Fall muß die Temperaturänderungsgeschwindigkeit ausreichend langsam sein, damit eine vernachlässigbare Zeitverzögerung zwischen der Ausgabe der zwei Meßsysteme besteht, und ferner, damit eine angemessene Signalmittelung erfolgt, um experimentelles Rauschen zu vermindern. Bei diesem Ausführungsbeispiel sollte, wenn ein Wafer mit dünnen Abschnitten verwendet wird, die Wärmereaktion der dünnen Abschnitte in Verhältnis zu den dicken Abschnitten ähnlich sein.An alternative type of regulation is to dynamically collect data during a heating and / or cooling schedule. In this case, the rate of temperature change must be sufficiently slow for there to be a negligible time delay between the output of the two measuring systems, and also for adequate signal averaging to reduce experimental noise. In this embodiment, when a wafer having thin portions is used, the heat reaction of the thin portions should be similar in relation to the thick portions.
Es kann ferner bei einigen Anwendungen nützlich sein, eine Messung unter Verwendung des Durchstrahlungssystems durchzuführen, bevor der Kalibrationswafer in die Kammer eingelegt wird. Das Verhältnis des Signals, wenn sich der Wafer in Position befindet, verglichen zu dem ohne Wafer, liefert einen Schätzwert der Durchlässigkeit des Wafers. Die gemessene Durchlässigkeit des Wafers kann beispielsweise nützlich sein, um zu prüfen, ob der richtige Wafer eingelegt wurde, oder um die Verschlechterung des Wafers zu prüfen. Das Durchstrahlungssignalniveau, wenn kein Wafer vorhanden ist, ist gleichfalls ein nützlicher Indikator für den Zustand des optischen Systems für Durchlässigkeitsmessungen. It may also be useful in some applications to make a measurement using the radiographic system before placing the calibration wafer in the chamber. The ratio of the signal when the wafer is in position compared to that without wafer provides an estimate of the transmissivity of the wafer. For example, the measured transmission of the wafer may be useful to check whether the correct wafer has been inserted or to check the deterioration of the wafer. The transmission signal level, when no wafer is present, is also a useful indicator of the state of the optical system for transmission measurements.
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel gegenüber dem obigen Verfahren kann mehr als ein Kalibrationswafer verwendet werden, welche jeweils automatisch in das Behandlungssystem eingelegt werden können. Die mehreren Kalibrationswafer können verschiedenen Zwecken dienen. Beispielsweise können verschiedene Wafer mit verschiedenen Kenngrößen in die Wärmekammer eingelegt werden, um eine angemessene Funktionsweise sowohl in einem hohen Temperaturbereich als auch in einem niedrigen Temperaturbereich zu ermöglichen. Beispielsweise können Wafer mit dünnen Bereichen für höhere Temperaturen verwendet werden. Ferner können die Wafer verschiedene Beschichtungen umfassen, um zu ermöglichen, daß die notwendigen Kalibrationen für das Pyrometersystem vom Abstrahlungsvermögen unabhängige Temperaturmessungen ergeben.In an alternative embodiment to the above method, more than one calibration wafer may be used, each of which may be automatically loaded into the treatment system. The multiple calibration wafers can serve different purposes. For example, different wafers having different characteristics may be placed in the heat chamber to allow for proper operation both in a high temperature range and in a low temperature range. For example, thin area wafers can be used for higher temperatures. Further, the wafers may include various coatings to allow the necessary calibrations for the pyrometer system to provide independent of radiating capability temperature measurements.
Bei einer Anwendung des Systems der vorliegenden Erfindung kann es wünschenswert sein, das Pyrometersystem lediglich bei einer oder einigen ausgewählten Temperaturen zu kalibrieren, um rasch nachzuweisen, daß das System einwandfrei arbeitet. In diesem Fall kann der Kalibrationswafer eingelegt werden und eine sehr einfache Vorschrift durchgeführt werden, beispielsweise Erwärmen auf eine Testtemperatur und Sammeln von Pyrometer- und Infrarotdurchstrahlungsdaten. Dieser Ablauf kann routinemäßig in vom Verwender bestimmten Intervallen durchgeführt werden. Die Daten, welche für diesen Ablauf erforderlich sind, können gesammelt werden, um jegliche Abweichungstendenz der Kenngrößen des Pyrometersystems zu verfolgen. Wenn eine merkliche Abweichung zwischen den Temperaturmeßvorrichtungen und der bestimmten Durchstrahlungstemperatur beobachtet wird, kann das System rekalibriert werden oder können Wartung oder Kammerreinigung erfolgen.In one application of the system of the present invention, it may be desirable to calibrate the pyrometer system only at one or a few selected temperatures to quickly demonstrate that the system is operating properly. In this case, the calibration wafer may be loaded and a very simple procedure performed, for example, heating to a test temperature and collecting pyrometer and infrared transmission data. This procedure may be routinely performed at user-specified intervals. The data required for this process can be collected to track any bias tendency of the pyrometer system characteristics. If a noticeable divergence between the temperature measuring devices and the particular radiant temperature is observed, the system may be recalibrated or may undergo maintenance or chamber cleaning.
Bei einigen Anwendungen kann das Durchlässigkeitsmeßsystem der vorliegenden Erfindung ferner während einer normalen Behandlung der Wafer betrieben werden. Speziell kann das System der vorliegenden Erfindung während einer normalen Behandlung der Wafer verwendet werden, wobei die Wafersubstratdotierung bekannt ist und der Wafer eine meßbare Infrarotstrahlungsmenge durchläßt. Beispielsweise kann die Ablaufsvorschrift durchgeführt werden, und während das Pyrometer Temperaturmessungen vornimmt, prüft ein Algorithmus die Meßwerte von dem Pyrometer im Vergleich zu denen der Infrarotdurchstrahlung. Wenn der Unterschied zwischen den Meßwerten eine bestimmte Grenze überschreitet, so kann dies ein Hinweis sein, daß ein Korrektureingriff erforderlich ist. Dieses Verfahren kann in einem Teil oder dem gesamten festgelegten Temperaturbereich bzw. der Vorschriftszeit ausgeführt werden.In some applications, the transmissivity measurement system of the present invention may also be operated during normal treatment of the wafers. Specifically, the system of the present invention may be used during normal wafer handling where wafer substrate doping is known and the wafer transmits a measurable amount of infrared radiation. For example, the procedure may be performed, and while the pyrometer is making temperature measurements, an algorithm tests the measurements from the pyrometer as compared to those from the infrared transmission. If the difference between the measured values exceeds a certain limit, this may be an indication that a corrective action is required. This procedure may be performed in part or all of the specified temperature range or time.
Tatsächlich kann, wenn genügend Informationen über den Wafer, welcher behandelt wird, bekannt sind, die Temperaturmeßvorrichtung in der Behandlungskammer kalibriert werden, während der echte Wafer behandelt wird. Die Kalibration kann beispielsweise in dem frühen Teil des Temperaturzyklus erfolgen, wobei sich der Wafer noch auf einer Temperatur befindet, welche niedrig genug ist, daß das Infrarotdurchstrahlungssystem angemessen funktioniert. Bei dieser Anwendung kann die Temperatur, welche aus der Infrarotdurchstrahlung abgeleitet wird, dazu dienen, den Schätzwert des Abstrahlungsvermögens des Wafers zu verbessern und daher die Genauigkeit des Pyrometers zu verbessern.In fact, if enough information about the wafer being processed is known, the temperature measuring device in the treatment chamber can be calibrated while the real wafer is being treated. For example, the calibration may be in the early part of the temperature cycle, with the wafer still at a temperature that is low enough for the infrared transmission system to function properly. In this application, the temperature derived from the infrared transmission may serve to improve the estimate of the radiating power of the wafer and therefore to improve the accuracy of the pyrometer.
Bei einem Ausführungsbeispiel kann das Durchlässigkeitsmeßsystem der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um die Gleichmäßigkeit des Ablaufs zu überwachen. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfaßt das System vorzugsweise mehrere Durchlässigkeitsmeßvorrichtungen, welche dazu dienen können, die Lichtdurchlässigkeit an verschiedenen Orten auf dem Wafer zu messen. Während einer normalen Behandlung des Wafers oder eines Testlaufs unter Verwendung eines speziellen Wafers kann das Durchlässigkeitsmeßsystem die Temperatur des Wafers bei den mehreren Orten verfolgen. Diese Information kann sodann verwendet werden, um zu prüfen und zu bestimmen, ob der Erwärmungszyklus, welcher für das System programmiert wurde, bei sämtlichen Orten, bei welchen eine Durchlässigkeitsmessung erfolgt, einwandfrei arbeitet. Genauer liefert das Durchlässigkeitsmeßsystem bei diesem Ausführungsbeispiel ein Echtzeitverfahren zum Nachweisen, daß die Erwärmungszyklen richtig eingestellt sind. Beispielsweise kann das Durchlässigkeitsmeßsystem das Temperaturverlaufsprofil eines Erwärmungszyklus bestimmen, wobei dies genauigkeitshalber Erwärmungs- und Abkühlungsgeschwindigkeiten umfaßt. Dadurch, daß die Erwärmungszyklen bei sämtlichen überwachten Orten innerhalb vorbestimmter Grenzen gehalten werden, wird die Gleichmäßigkeit des Ablaufs verbessert, gleichgültig, ob der Ablauf, welcher in der Kammer ausgeführt wird, das Glühen oder das Abscheiden von Materialien auf einem Wafer ist.In one embodiment, the transmissivity measurement system of the present invention may be used to monitor the evenness of the process. In this embodiment, the system preferably includes a plurality of transmission measuring devices which may serve to measure light transmission at various locations on the wafer. During normal wafer handling or a test run using a particular wafer, the transmission measurement system can track the temperature of the wafer at the multiple locations. This information can then be used to check and determine if the heating cycle programmed for the system is functioning properly at all locations where a permeability measurement is made. More specifically, in this embodiment, the transmission measurement system provides a real-time method for proving that the heating cycles are properly set. For example, the transmissivity measurement system may determine the temperature profile of a heating cycle, including, for accuracy, heating and cooling rates. By keeping the heating cycles within predetermined limits at all the monitored locations, uniformity of operation is improved, regardless of whether the operation performed in the chamber is annealing or deposition of materials on a wafer.
Im Prinzip kann das Heizsystem der Wärmebehandlungskammer unter Verwendung einer Rückführregelung ausgehend von der Temperatur, welche durch die Infrarotdurchlässigkeitsmessung der vorliegenden Erfindung in einem Regelungsmodus abgeleitet wird, geregelt werden. Dies kann in dem Fall nützlich sein, daß das Pyrometer vorher noch nie kalibriert wurde und dessen Messungen infolgedessen zu ungenau sind, um es zu ermöglichen, diese zum Regeln des Erwärmungszyklus zu verwenden.In principle, the heating system of the heat treatment chamber may be controlled using feedback control based on the temperature derived by the infrared transmission measurement of the present invention in a closed loop mode. This may be useful in the event that the pyrometer has never been calibrated before and its measurements are therefore too inaccurate to allow it to be used to control the heating cycle.
Außer einer Verwendung in einem Regelungszyklus kann das Infrarotdurchlässigkeitsmeßsystem der vorliegenden Erfindung ferner bei einem rückführungslosen Steuerungszyklus verwendet werden. Bei einem rückführungslosen Steuerungszyklus wird kein Rückführsignal verwendet, um die Lichtquellen zu regeln. Stattdessen werden die Lichtquellen geeignet vorprogrammiert, um einen bestimmten Erwärmungszyklus durchzuführen.Further, except for use in a control cycle, the infrared transmission transmittance measuring system of the present invention may be used in a no-feedback control cycle. In a no feedback control cycle, no feedback signal is used to control the light sources. Instead, the light sources are appropriately pre-programmed to perform a particular heating cycle.
Eine Verwendung des Durchlässigkeitsmeßsystems der vorliegenden Erfindung zum Bestimmen der Temperatur von Wafern unabhängig von jeglichen anderen Temperaturmeßvorrichtungen ist besonders bei Temperaturen von weniger als etwa 800°C nützlich, bei welchen die meisten Wafer eine meßbare Infrarotstrahlungsmenge durchlassen. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann das Durchstrahlungssystem der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um die Temperatur des Wafers, welcher behandelt wird, bei niedrigeren Temperaturen zu überwachen, während das normale Temperaturmeßsystem verwendet werden kann, um die Temperatur des Wafers bei höheren Temperaturen zu überwachen. Beispielsweise ist das Durchlässigkeitsmeßsystem bei diesem Ausführungsbeispiel besonders gut zur Verwendung in Verbindung mit Pyrometern geeignet, welche bei niedrigeren Temperaturen nicht entsprechend genau sind.Use of the transmissivity measuring system of the present invention to determine the temperature of wafers independently of any other temperature measuring device is particularly useful at temperatures less than about 800 ° C, at which most wafers transmit a measurable amount of infrared radiation. In this embodiment, the radiographic system of the present invention may be used to monitor the temperature of the wafer being treated at lower temperatures, while the normal temperature measurement system may be used to monitor the temperature of the wafer at higher temperatures. For example, in this embodiment the transmissivity measurement system is particularly well suited for use in conjunction with pyrometers which are not adequately accurate at lower temperatures.
Zuletzt kann eine vollständige Rückführregelung während des gesamten Behandlungszyklus ab Raumtemperatur aufwärts angewandt werden, wodurch die Notwendigkeit eines Heizblocks mit rückführungsloser Steuerung ausgeräumt wird, welcher normalerweise verwendet wird, um einen Wafer auf die Temperatur zu erwärmen, bei welcher eine Pyrometerregelung erfolgt. Dieses Ausführungsbeispiel kann Gesamtverfahrenssteuerung und -durchlauf verbessern, während der Aufwand, welcher zum Entwickeln von Vorschriften notwendig ist, vermindert wird. Ferner sollte bei Anwendungen, bei welchen die maximalen Behandlungstemperaturen niedriger als etwa 800°C sind, der gesamte Erwärmungszyklus durch das Durchlässigkeitsmeßsystem der vorliegenden Erfindung gesteuert werden.Lastly, full return control can be applied throughout the entire treatment cycle from room temperature upwards, eliminating the need for a hot block with open loop control, which is normally used to heat a wafer to the temperature at which pyrometer control occurs. This embodiment can improve overall process control and processing while reducing the effort required to develop regulations. Further, in applications where the maximum treatment temperatures are lower than about 800 ° C, the entire heating cycle should be controlled by the transmissivity measurement system of the present invention.
Die Anwesenheit eines örtlichen Durchlässigkeitsmeßsystems kann ferner verschiedene andere nützliche Informationen während der Behandlung von Wafern liefern. Beispielsweise ist das System der vorliegenden Erfindung ferner geeignet, Informationen darüber zu liefern, ob der Wafer, welcher behandelt wird, bei der interessierenden Temperatur lichtundurchlässig ist oder nicht. Diese Information kann verwendet werden, um automatisch eine optimale Temperaturmessung und Regelungsalgorithmen zum Behandeln von schwach dotierten, stark dotierten und metallisierten Wafern in optimalen Weisen, welche deren sehr unterschiedliche Energieabsorptionseigenschaften berücksichtigen, auszuwählen.The presence of a localized transmission measurement system may also provide various other useful information during the processing of wafers. For example, the system of the present invention is further adapted to provide information as to whether or not the wafer being treated is opaque at the temperature of interest. This information can be used to automatically select optimal temperature measurement and control algorithms for treating lightly doped, heavily doped and metallized wafers in optimal ways that take into account their very different energy absorption properties.
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